山药提取物絮凝处理直接黑G特性研究

朱航　陈兴祺　李世蓉　黄玺嘉　林少华

摘要：以山药为原料，开发环境友好型高分子絮凝剂。采用有机溶剂沉淀法提取山药天然有机物。通过FTIR和元素分析对山药提取物（YE）进行表征。考察山药提取物絮凝剂投加量、温度、pH、无机盐和悬浮物含量对絮凝去除直接黑G的影响。结果表明：山药提取物主要为多糖。投加YE能强化PAC去除直接黑G效果，随着YE投加量的提高，直接黑G去除率也不断提高。pH和温度对YE的絮凝活性有明显影响。在pH = 8.0～9.0时，YE则表现出良好的助凝效果。在5～25℃范围内有利于YE发挥絮凝作用。溶液中无机盐与悬浮物对YE絮凝处理水中直接黑G影响不显著。YE是一种去除水中直接黑G较理想的天然絮凝剂。

关键词：絮凝剂; 絮凝;山药提取物;多糖;直接黑G

中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1006-8023（2019）03-0069-05

Study on Coagulation Removal Characteristics of Direct Black G by Yam Extract

ZHU Hang， CHEN Xingqi， LI Shirong， HUANG Xijia， LIN Shaohua*

（School of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037）

Abstract：Chinese yam was used as raw material to develop environmental friendly macromolecular flocculant. Natural organic matters were extracted from Chinese yam by organic solvent precipitation method. Yam extract （YE） was characterized by FTIR and elemental analysis. The effects of flocculant dosage， temperature， pH， inorganic salt and suspended solid on coagulation removal of direct black G were investigated. Results showed that the yam extract was mainly composed of polysaccharide. The coagulation removal of direct black G by PAC could be enhanced by addition of YE. The removal of direct black G increased with the increase of dosages of YE. Both of pH and temperature had significant influences on flocculation activity of YE. YE showed good coagulation aid effect at pH=8.0-9.0. The optimal temperature range for YE flocculant was 5-25℃. The presence of inorganic salt and suspended solid did not affect direct black G removal significantly. YE is an ideal natural flocculant for removing direct black G from water.

Keywords：Flocculant; coagulation; yam extract; polysaccharide; direct black G

0引言

野外施工如國防建设及重大基础设施、森林采伐等，人员饮水安全是关系到项目能否顺利实施的关键之一[1]。混凝工艺简单、能够有效地去除水中的悬浮物、胶体杂质及细菌等，是水或废水处理常规工艺环节。但传统的无机絮凝剂，如聚合氯化铝，具有一定毒性，容易对人类的神经系统造成损伤[2]。有机合成絮凝剂因为絮凝效果好，价格便宜而广泛使用，但这些有机絮凝剂又存在不易生物降解，或者其单体（如丙烯酰胺）具有神经毒性，甚至有潜在致癌性等[3]。因此有必要研究开发低毒、经济和高效的絮凝剂。

大量排放的印染废水对水环境和人体健康构成了严重威胁。针对水中染料的处理方法，如光催化法、复合材料降解法、电解法和膜分离法等[4-8]，存在工艺相对复杂，处理成本高等问题。直接染料，如直接黑G，分子结构呈平面线型，可以相互靠近并缔合，形成稳定的阴离子型胶体，因而适于采用混凝处理。本研究以资源丰富、健康无毒、富含淀粉的山药为原料，提取天然有机高分子作为絮凝剂，研究其絮凝处理直接耐晒黑效果的水质影响因素，探讨开发绿色无毒、环境友好型絮凝剂可行性。

1实验材料与方法

1.1材料与设备

盐酸、氢氧化钠、无水乙醇和氢氧化钾等试剂，均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。直接黑G购自上海佳英化工有限公司。山药为南京市场购得。

主要仪器与设备：HH-2型数显恒温水浴锅，常州朗越仪器制造有限公司;JW-1032低速离心机，安徽嘉文仪器设备有限公司;GEX-9140MBE电热鼓风干燥箱，上海博迅实业有限公司医疗设备厂;ZR4-6混凝实验搅拌机，深圳中润水工业技术发展有限公司;UV752型紫外可见光分光光度计，上海精密仪器仪表有限公司;pH400型酸度计，安莱立思仪器科技公司;VERTEX80V傅里叶红外光谱分析仪，德国布鲁克公司。PE2400Ⅱ元素分析仪，美国珀金埃尔默公司。

1.2絮凝剂制备

将洗净山药去皮、粉碎，再按料液比1∶2加入去离子水，置于水浴锅中，40 ℃水浴浸提2.5 h，过滤，滤渣重复上述水浴浸提操作，将两次滤液混合加入4倍体积无水乙醇，并搅拌直至出现沉淀。然后在离心机中以4 000 r/min离心10 min，得到提取物沉淀。再于烘箱中40 ℃下烘至恒重，得到干燥提取物，密封后在5 ℃下储存备用。使用时，将去离子水pH值调到10以溶解提取物，待完全溶解再将pH调回7。在提取物溶解及后续絮凝试验中pH均以0.1 mol/L的氢氧化钾和0.1 mol/L的盐酸调节。

1.3絮凝试验

以自来水配制初始浓度为100 mg/L的直接黑G模拟废水。试验时，向盛有400 mL模拟废水的烧杯中加入预先设定的絮凝剂投加量，于六联搅拌机搅拌下进行絮凝实验。单独投加絮凝剂的搅拌程序为：200 r/min快速搅拌1 min，接着以40 r/min慢速搅拌15 min。然后静置沉淀30 min，于液面下2 cm处采集水样。在投加PAC的试验中，投加聚合氯化铝（PAC）后在200 r/min快速搅拌0.5 min后，再加入山药提取物絮凝剂继续快速搅拌1 min，慢速搅拌、静沉程序与单独投加山药提取物絮凝剂试验操作。水样分析前均经0.45 μm滤膜过滤。

1.4分析方法

采用傅里叶红外光谱分析仪（FTIR）分析山药提取物的表面官能团，将提取物样品研磨成粉状，以溴化钾作为载体压片，扫描波数范围4 000～400 cm-1。山药提取物的碳氢氮元素含量采用PE2400Ⅱ元素分析仪分析。

直接黑G浓度采用分光光度法在646 nm下进行测定，溶液pH用pH400型酸度计测定。染料去除率计算公式如下：

R（%）=c0-cc0×100%。（1）

式中：R为染料去除百分率;C0为模拟废水中染料浓度;C为处理后水中染料浓度。

2结果与讨论

2.1絮凝剂表征

元素分析结果见表1。分析表明，山药提取物以C和H的化合物为主，同时含有少量的N和微量S元素，这可能是因为提取物中存在少量的蛋白质成分（如淀粉酶）及其他成分所致[9]。FTIR分析结果如图1所示。山药提取物在3 432 cm-1附近存在强的吸收峰这是因为糖类分子中含有大量的-OH基，其吸收峰，通常出现在3 200～3 600 cm-1之间。红外光谱图在2 920 cm-1和1 400 cm-1处的吸收峰可以认为是C-H振动峰。1 635 cm-1处的峰则是-OH基的弯曲振动吸收峰;1 049 cm-1的吸收峰则为CH2-O-CH2的伸缩振动[10-12]。FTIR分析表明，山药提取物主要是多糖类物质。后续中均以YE（yam extract）表示山药提取物絮凝剂。

2.2絮凝影响因素

2.2.1絮凝剂投加量影响

在PAC投加量分别为20、30、40、50 mg/L，水温25℃，pH为8.0的情况下，分别投加YE为0、1、2和5 mg/L，考察絮凝剂YE投加量对直接黑G去除效果的影响，结果如图2所示。从图2可见，单独投加PAC时，直接黑G去除率随着PAC投加量的增加而增大，这也和Jingxi Tie等人的研究结果一致[13]。混合投加PAC+YE后，水中直接黑G的去除率比单独投加PAC时明显提高，且随着YE投加量的提高，直接黑G去除率也不断提高。如在PAC投加量为 30 mg/L时，不投加YE的去除率只有67%，而在投加PAC的基础上，继续投加YE为1、2、5 mg/L时，直接黑G去除率则可以分别达到74%、77%、82%。投加YE可以减少PAC的投加量。这是因为，YE为天然有机高分子物质，其长链结构可以强化吸附架桥和网扫卷捕作用，从而产生更大的絮凝体以利于聚沉[14]。

2.2.2pH的影响

在PAC投加量为 30 mg/L，YE投加量为5 mg/L，水温25℃情况下，调节溶液pH值分别为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，考察pH对直接黑G去除效果的影响，结果如图3所示。

在酸性和中性环境下，直接黑G的去除率高于碱性环境。在pH = 5.0～7.0时，不管单独投加PAC，还是混合投加PAC+YE，直接黑G的去除率均可达到94%左右;随着pH提高到8.0和9.0，直接黑G的去除率则出现了明显下降。实验过程中也可观察到在酸性和中性环境下形成的絮凝体比碱性条件下更多。就单独投加PAC而言，这是因为直接黑G是一种阴离子型染料，其分子中含有-SO32-基团，因而其形成的胶粒带有负电[13]。当溶液中pH较低时，PAC可以形成带正电的聚合水解产物和Al（OH）3，使得直接黑G容易脱稳形成聚沉。当溶液pH较高，水中OH-浓度增大时，阴离子胶团之间静电斥力增加，在一定PAC投加量下，染料胶粒更难被吸附聚集;另一方面，在水中pH达到8.0以上时，因为水中OH- 增多，导致形成更多Al（OH）4-，直接黑G难以脱稳，从而使去除率下降[14-15]。单独投加YE时，在碱性条件下的去除率低于酸性和中性环境，这可能是因为：YE为天然大分子有机物，在碱性条件下，主要以带负电形式存在，所以其单独絮凝去除直接黑G效果变差[16]。

在混合投加PAC+YE时，在酸性和中性环境下，投加YE的絮凝强化效果不明显，尽管单独投加YE时随着pH值的降低直接黑G去除率有所增加。这可能是因为在本研究条件下，直接黑G在只投加PAC时已可达到非常高的去除效率，所以再投加YE其增强效果并不显著。但是，在碱性条件下，投加YE则表现出了良好的絮凝效果。混合投加PAC+YE，直接黑G的去除率明顯高于单独投加PAC时。在pH=8.0和9.0时，直接黑G的去除率比单独投加PAC时分别提高了15%和10%。这说明，在碱性条件下，可以考虑投加YE以增强PAC混凝去除直接黑G的效果。

2.2.3温度的影响

在PAC投加量为 30 mg/L，YE 投加量为5 mg/L，pH值分别为8.0情况下，调节水温为5、25、45 ℃，考察温度对直接黑G去除效果的影响，结果如图4所示。由图4可知，不同温度下，不管是单独投加YE，还是混合投加PAC+YE，YE均表现出明显的絮凝作用，但对直接黑G的去除效果随着温度的提升有所下降。在温度为5、25 ℃时，混合投加PAC+YE对直接黑G去除效果比单独投加PAC时的去除率分别提升了14%、15%。说明在5～25 ℃范围内有利于YE发挥絮凝作用。

2.2.4无机盐的影响

在胶体脱稳沉降过程中，溶液中电解质溶液会存在一定的影响，且实际印染过程中通常会加入一些无机盐来提高上染率，所以通过烧杯实验模拟投加NaCl（投加量为0、100、250 mg/L），对絮凝效果的影响。试验中PAC投加量为 30 mg/L，YE 投加量为5 mg/L，pH值为8.0，水温25 ℃。结果如图5所示。

结果表明，在本试验条件下，在单独投加PAC的情况下，NaCl的投加量对直接黑G的去除影响并不显著。这可能是因为，直接黑G胶粒本身呈负电，在其扩散层会吸附一定数量的正电荷粒子，当溶液中正电荷粒子浓度，如聚合氯化铝产生的阳离子达到一定值后，任何一次胶粒的碰撞都会发生聚沉，再投加电解质，胶体扩散层被继续压缩有限，此时不会增加明显聚沉速率[17]。而单独使用YE和混合投加PAC+YE时，考虑到YE本身带有负电，投加NaCl有利于其聚沉，从而造成了随着NaCl投加量增加，出现了直接黑G去除率的小幅下降。但在溶液中存在一定量NaCl的情况下，不管是单独投加，还是混合投加，YE仍表现出了明显的絮凝或絮凝强化作用。

2.2.5悬浮物的影响

试验中，在PAC投加量为 30 mg/L，YE 投加量为5 mg/L，pH值為8.0，水温25 ℃情况下，采用高岭土模拟水中悬浮物对直接黑G去除效果的影响，实验结果如图6所示。图6表明，单独投加PAC时，随着投加量的增加，直接黑G的去除率出现逐渐增加趋势，这可能是因为，高岭土在直接黑G的絮凝去除过程中起到了成核作用。而在本研究条件下，当水中存在一定量悬浮物时，不管单独投加，还是混合投加，YE仍表现出明显的絮凝或絮凝强化作用。尽管水中的悬浮物对絮凝效果表现出一定的负面影响，但这种影响并不显著。

3结论

从资源丰富的山药提取的有机高分子物质主要为多糖类物质，是一种去除水中直接黑G较理想的天然絮凝剂。研究表明：

（1）投加 YE能强化PAC去除直接黑G效果，随着YE投加量的提高，直接黑G去除率也不断提高。

（2）pH和温度对YE的絮凝强化效果有较大影响。在pH=8.0～9.0时，YE表现出良好的絮凝效果。在5～25 ℃，有利于发挥YE对直接黑G的絮凝强化作用。

（3）溶液中无机盐与悬浮物的存在，对YE絮凝处理水中直接黑G影响不显著。

本研究只是对山药提取物絮凝剂的水质影响因素进行了研究，后续有必要展开絮凝剂改性和混凝工艺条件研究，以开发更高效环保絮凝剂，并确定其最佳工艺条件。

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