甜菜粕对Fe(Ⅲ)的吸附平衡和动力学研究

现代食品科技　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｆｏｏｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２０１４，Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．１　

甜菜粕对Ｆｅ（ＩＩＩ）的吸附平衡和动力学研究　

赵毅，于淑娟，朱思明，茅骏　

（华南理工大学轻化工研究所，广东广州５１０６４０）　

摘要：甜菜粕是一种富含膳食纤维的糖厂主要副产物，因其阳离子结合能力强常用于废水中重金属及色素的污染治理。本丈研　究了甜菜粕粒径和用量、反应时间、溶液中Ｆｅ　初始浓度等因素对甜菜粕静态吸附人体必需宏量元素铁的影响，以及吸附反应平衡和　

动力学。结果表明，甜菜粕对铁的吸附量随着甜菜粕粒径减小、铁初始浓度的增加而增加；吸附平衡时间是８０￣１００　ｍｉｎ；在铁初始　

浓度０．００１　ｍｏｌ／Ｌ，反应时间１００　ｍｉｎ和温度２５℃的条件下，含水分９３％、粒径７５　ｌａｉｎ－１５０　ｇｒｎ的废粕５　ｇ／Ｌ可吸附除去溶液中６５％　铁；吸附过程可用准二级动力学模型描述（Ｒ２　．９９）；吸附平衡数据与Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ型吸附等温线模型拟合性好，，说明甜菜粕对Ｆｅ（ＩＩＩ）　

的吸附不是理想的单分子层吸附．甜菜粕因其廉价和高选择挂，是制备高生物学效价有机铁剂的潜在底物　关键词：吸附平衡；吸附动力学；甜菜粕；Ｆｅ（ＩＩＩ）　文章篇号：１６７３．９０７８（２０１４）１．２８．３２　

Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ａｎｄ　Ｋｉｎｅｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｆｅ３十ｂｙ　Ｓｕｇａｒ　Ｂｅｅｔ　Ｐｕｌｐ　

ＺＨＡＯ　Ｙｉ，ＹＵ　Ｓｈｕ－ｊｕａｎ，ＺＨＵ　Ｓｉ－ｍｉｎｇ，ＭＡＯ　Ｊｕｎ　（Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１　０６４０，　

Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｕｇａｒ　ｂｅｅｔ　ｐｕｌｐ（ＳＢＰ）ｉｓ　ｒｉｃｈ　ｉｎ　ｄｉｅｔａｒｙ　ｆｉｂｅｒ　ａｎｄ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｊｏｒ　ｂｙ－ｐｒｏｄｕｃｔ　ｉｎ　ｓｕｇａｒ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｏｆｔｅｎ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｔｒｅａｔ　ｔｈｅ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｏｆｈｅａｖｙ　ｍｅｔａｌｓ　ａｎｄ　ｐｉｇｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆｉｔｓ　ｓｔｒｏｎｇ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆｃａｆｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆｓｏｒｂｅｎｔ　ｄｏｓａｇｅ，ｓｏｒｂｅｎｔ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅ，ｃｏｎｔａｃｔ　ｔｉｍｅ，ａｎｄ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆＦｅ￣　ｏｎ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｏｆｔｈｅ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｍａｃｒｏ　ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｆｅ　ｉｎ　ｂｏｄｙ　ｂｙ　ＳＢＰｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ａｎｄｔｈｅ　

ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ａｎｄ　ｋｉｎｅｔｉｃｓ　ｍｏｄｅｌｓ　ｗｅｒｅ　ａｌｓｏ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｕｐｔａｋｅ　ｏｆＦｅｊ’ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆＦｅ￣　；ｔｈｅ　ｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｒｅａｃｈｅｄ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ａｆｔｅｒ　８０￣１００　ｍｉｎ　ｏｆｃｏｎｔａｃｔ；６５％ｏｆＦｅ　Ｗａｓ　ｒｅｍｏｖｅｄ　ｂｙ　

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ｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ（Ｒ２＿＞Ｏ．９９）；ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｄａｔａ　ｆｉｔｔｅｄ　ｗｅｌｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｉｓｏｔｈｅｒｍｅｑｕａｔｉｏｎ，ｓｈｏｗｉｎｇｔｈｅ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆＦｅｊ　ｂｙＳＢＰｗａｓｎｏｔｉｎｍｏｎｏｍｏｌｅｃｕｌａｒｌａｙｅｒｔｙｐｅ．ＳＢＰ，ｗｈｉｃｈｉｓｃｈｅａｐａｎｄ　

ｈｉ曲ｌｙ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ，ｓｅｅｍｓ　ｔｏ　ｂｅ　ａ　ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｉｒｏｎ　ａｇｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｂｉｏａｃｔｉｖｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ；ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｋｉｎｅｔｉｃｓ；ｓｕｇａｒ　ｂｅｅｔ　ｐｕｌｐ；Ｆｅ（ＩＩＩ）　

甜菜粕是制糖过程中甜菜块根经切丝浸提后所剩　残渣。中国年加工甜菜约８００￣１０００万ｔ，而每加工１　ｔ　

甜菜块根约产出０．９　ｔ甜菜粕，因此甜菜粕产量大且成　本低。废粕经双螺旋压榨机压榨后再经过烘干制成干　

燥的甜菜粕。绝干甜菜粕含纤维约８０％，包括可溶性　

膳食纤维和不可溶性膳食纤维，是最具开发潜力的“人　体第七大营养素”ｌｌ　Ｊ。　

目前７０％甜菜粕作为饲料廉价处理，约３０％生产　

收稿日期：２０１３－０７—３１　

基金项目：国家自然科学基金资助项目（０１２０３１８３）；华南理工大学中央高　校基本科研业务费专项资金资助项目（２０１２ＺＮ００７２、２０１４ＺＺ００５０）；广东省　

产学研项目（２０１　１１３０９０４００３６１）；广东省科技计划项目（２０１０Ａ０８０４０３００５）　作者简介：赵毅（１９７２－），男，博士研究生，主要从事糖品分析研究　

通讯作者：朱思明（１９７６－），男，博士，副研究员，主要从事糖厂综合利用　

研究　

２８　甜菜颗粒粕【Ｊ　Ｊ。近年来有关甜菜粕的开发利用研究，　

主要包括：由甜菜粕提取果胶，利用甜菜粕提取纤维　

素和羧甲基纤维素，生产蛋白质饲料，制取草酸和培　养食用菌等　。此外，由于富含半乳糖醛酸和果胶质　

中羧基的存在，甜菜粕已经被证实具有很强的结合溶　液中金属阳离子的能力，选择性高，可用于含重金属　废水中的污染治理【３Ｊ。未经化学修饰处理的甜菜粕可　

用于金属离子如Ｃｕ（ＩＩ）、Ｃｄ（ＩＩ）、Ｃａ（ＩＩ）、Ｎｉ（ＩＩ）、Ｐｂ（ＩＩ）　和ｚｎ（ＩＩ）等二价金属离子的吸附【３　，也可用于Ｃｒ（ＩＩＩ）　和Ｃ　Ⅳ）的吸附　ｌ，还可用于有色染料废水的吸附处　

理【８】，其中以对Ｃｕ（ＩＩ）的吸附研究最多【３　】；甜菜粕也　

可经化学修饰处理后改善其对重金属和制糖灰分吸附　处理效果，其中金属离子包括Ｎｉ（ＩＩ）、Ｃｕ（ＩＩ）、Ｐｂ（Ⅱ）、　

Ｃｄ（ＩＩ１、Ｔｌ（Ｉ）和Ｃｒ（ＶＩ），制糖灰分包括钙、镁、钾、　色素和酚类物质等，化学修饰方法包括甜菜粕碳化、

　现代食品科技　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｆｏｏｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２０１４，Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．１　

皂化、提取果胶、提取果胶后粕的碱处理、酸处理等　【４，　。总结而言，有关甜菜粕的吸附性能研究主要包　

括：对甜菜粕进行化学修饰改善吸附性能；对有毒有　害重金属和有色废水的吸附处理；甜菜粕经过化学修　

饰处理后用于糖浆的清净。但是有关甜菜粕对人体必　

需宏量元素的吸附性能研究还少见报道。　作为组织代谢不可缺少的物质，铁是人体必需宏　

量元素。本文研究了主要用作饲料、富含膳食纤维的　甜菜废粕经干燥脱水、超细粉碎后对金属Ｆｅ　的吸附　

平衡和动力学，为甜菜粕高值化利用、改善饲用甜菜　粕营养和生物体易吸收有机铁剂研究提供新思路。　

１材料和方法　

１．１材料和仪器　

甜菜粕，由新疆绿翔糖业有限公司提供；ＧＭ一０．３３　

（ＩＩ）型抽滤机（膈膜真空泵），天津市津腾实验设备　有限公司生产；ＨＨ．６型水浴锅，江苏金坛市宏华仪　

器厂；ＯＭ—ＩＳＰ２型行星式球磨机，南京大学仪器厂生　产；ＢＳＡ型电子天平，天津市德蒙俄科技有限公司生　

产；ＩＯ１Ａ．１型鼓风干燥箱，上海卓爵仪器设备有限公　司生产；ＴＭ３０００型扫描电镜，日本日立公司。　

１．２实验方法　

１．２．１甜菜粕的预处理　

甜菜粕干物质平均含膳食纤维８１％、蛋白质１１％、　无机盐４％、糖分４％。将干燥的甜菜粕放入行星球磨　

机中研磨，通过筛分得到３种规格的甜菜粕粉体：大　于１５０　ｍ、１５０￣７５　ｍ之间和小于７５岬１。为消除废　

粕中有机酸、还原糖和色素等可溶性物质，甜菜粕粉　

碎和分级后用１．０　ｍｏｌ／Ｌ　ＨＣｌ洗涤并用蒸馏水洗至中　性，过滤后备用（含水９３％）。　

１．２．２　Ｆｅ　的ＥＤＴＡ络合滴定法分析　原理是Ｆｅ　与ＥＤＴＡ在ｐＨ＝２．０￣２．５时能生成稳定　的络合物Ｆｅ丫：Ｆｅ　十＋Ｈ２ｙ２－＝ＦｅＹ－＋２Ｈ￣。以磺基水杨　

酸或其钠盐做指示剂，在ｐＨ＝２．０￣２．５时，Ｆｅ　磺基水　杨酸根Ｓａｌ２一生成紫红色的络合物ＦｅＳａｌ￣：　

Ｆｅ　＋＋Ｓａｌ　ＦｅＳａｌ　。但络合物ＦｅＳａｌ　不如ＦｅＹ。稳定，　

用ＥＤＴＡ滴定时，ＦｅＳａｌ　中的Ｆｅ　被ＥＤＴＡ所夺取，　紫红色逐渐消失，最后出现亮黄色或无色即达到终点：　ＦｅＳａｌ￣＋Ｈ２ｙ２一＝Ｆｅ丫＋２｝ｒ　。　测定时吸取浓度适宜的Ｆｅ３　溶液１００　ｍＬ到５００　

ｍＬ锥形瓶中，加ｌ￣２滴磺基水杨酸，调节ｐＨ值２．０，　

将溶液加热至６０￣７０℃，再加磺基水杨酸２滴，用０．０１　

Ｍ　ＥＤＴＡ溶液滴定至溶液紫红色消失。所消耗ＥＤＴＡ　毫升数即为溶液中Ｆｅ　含量。　

１＿３　数据分析　

所有实验或分析重复三次，统计分析在Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　

Ｅｘｃｅｌ软件中进行。测定数据以平均值的置信界限报　告，在图中以误差线体现，统计的置信水平ｐ＝９５％。　

将不同初始Ｆｅ　浓度下的吸附平衡试验数据分别与　

Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ和Ｌａｎｇｍｉｕｒ等温吸附模型进行拟合，并对　两种模型进行简单的线性回归，根据相关系数　大小　判断甜菜粕对Ｆｅ　的吸附类型。将吸附量随废粕和　

Ｆｅ　接触时间的变化的实验数据分别与准一级动力学　

模型、准二级动力学模型和颗粒内扩散模型进行拟合，　并对三种模型进行简单的线性回归，根据相关系数　大小判断甜菜粕对Ｆｅ３＋的吸附类型　

２结果和讨论　

２．１　粒径对甜菜粕吸附Ｆｅ　的影响　

摹　＼　僻　鼬　

ｕ娶　．鸟　害　２　

甜菜粕粒径／ｕｍ　图１粒径对甜菜粕吸附Ｆｅ　的影响　Ｆｉｇ．１　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｏｆＦｅ３＋ｕｓｉｎｇ　ＳＢＰ　

取粒径小于７５　ｕｌｍ、大于１５０　ｍ和７５～１５０岬　之间的三种粉状甜菜粕筛分５　ｇ，经预处理后，分别加　

入至装有１００ｍＬ０．００１　ｍｏｌ／ＬＦｅＣＩ３溶液中，在３０℃　

下研究粒径对甜菜粕吸附Ｆｅ　的性能影响，吸附反应　时间１００ｍｉｎ，实验结果见图１。由图ｌ可知，不同粒　

径条件下，经甜菜粕的富集处理后，溶液中铁残留率　不同。粒径越小，溶液中Ｆｅ　残留量越少，甜菜粕Ｆｅ　

吸附能力越强。原因可能是，颗粒粕的粒径越小，颗　粒越细，颗粒粕比表面积越大，越有利于甜菜粕对Ｆｅ升