苹果重金属富集规律及甜菜渣吸附果汁重金属的研究

摘要

我国一些主要苹果产区存在的重金属污染问题，主要原因是工业废水对灌溉水质的污染造成金属离子在果实中的富集，且苹果果实存在对Cu2+、Pb2+、Cd2+优先富集的特点。在人们食品安全意识不断提高，及苹果鲜果、浓缩苹果汁金属离子更严格含量标准提出的情况下，依据所建立的苹果质量安全预警系统的要求，本文探讨了苹果果实中重金属富集的规律及苹果汁重金属离子去除的方法，力图为所建立的苹果质量安全预警系统中的快速反应体系提供信息服务。 甜菜渣是甜菜制糖工业的主要废弃物，除部分用作动物饲料外，未能有效利用。其中含有20％左右的粗纤维，经过适当的提取工艺，低温干燥，基团改性后可得吸附性强的鳌合/离子交换纤维。本论文就是利用改性甜菜纤维研究其对金属离子的吸附性能。以甜菜纤维具有吸附阳离子性能为基础，引入离子交换性能强的巯基，制备高吸附型巯基甜菜纤维，为控制果汁中的微量元素含量提供方法，同时为甜菜渣的综合利用开辟了新的途径。 本文主要研究：苹果对重金属富集规律；原料粒度、提取温度、提取时间、液料比、盐酸液浓度对甜菜纤维提取率的影响，确定最佳的提取条件，获得了甜菜纤维的最佳脱色方法；并根据纤维素和硫代乙醇酸在乙酸酐和乙酸介质中发生酯化反应合成SC的原理，得出了巯基甜菜纤维制备的最佳工艺参数；以Cu2+、Pb2+、Cd2+、As2+为对象，分析研究了巯基甜菜纤维对重金属离子的静态、动态吸附性能及其可再生性；初步研究了甜菜纤维对苹果汁重金属离子的吸附效果，以期能为苹果的安全生产提供理论依据和数据支持。 试验结果表明：(1)洛川无公害苹果示范区土壤重金属含量变化较大，依元素不同而异，其中w(Cd2+)变化较大，变异系数为38.89％；w(Pb2+)、w(Cu2+)变化程度次之，变异系数为34.20％、25.58％；w(As2+)变化最小，变异系数为22.26％，重金属含量在各土样之间存在较大的差异性，反映了果园管理的不同对果园土壤质量产生了明显影响。 (2)在4种重金属中As2+污染最为严重，平均污染指数为0.65，Cd2+污染次之，平均污染指数为0.60，Pb2+、Cu2+重金属污染较轻，综合污染指数均小于1，土壤重金属污染程度较轻，表明洛川无公害苹果示范园区土壤达到国家无公害苹果生产的标准，但其中某些样点污染指数有趋近于1的趋势，应该引起该区果园管理者的注意。 (3)苹果中Pb2+、Cu2+、As2+含量最高值约为最低值的3.2～6.7倍，Cd2+含量最高值约为最低值的15.0倍，总体变异系数在35.94％～75.94％之间。园区苹果果实重金属污染指数均小于1，Cu2+的污染指数相对较高，Pb2+的污染指数相对较低。 (4)苹果对重金属富集能力(u)的大小顺序为：u(Cd2+)＞u(Cu2+)＞u(As2+)＞u(Pb2+)。分析结果表明：富士苹果对Cd2+表现出较强的吸附能力，对Pb2+的富集能力较弱。 (5)采用化学方法提取甜菜纤维时，影响提取效果因素的主次顺序依次为：温度、反应体系盐酸浓度、料液比和反应时间、原料粒度。其最佳工艺条件：原料粒度为40目，提取温度80℃，提取时间160min，液料比14∶1，盐酸溶液浓度0.3％。 (6)用双氧水对甜菜纤维进行脱色时，温度是影响脱色效果的主要因素，其次为H2O2用量，ph对脱色效果影响最小。最佳脱色工艺条件为：H2O2用量4％、温度50℃、脱色时间4h、pH=6.0。 (7)在巯基甜菜纤维的制备整个过程中，影响巯基含量因素的主次顺序为：反应体系的酸度＞反应时间＞反应温度＞原料配比。由结果得出最优组合为：原料配比为5∶1(硫代乙醇酸mL/纤维素g)，反应体系酸液浓度为0.3％，反应温度为50℃，反应时间为18h，最大巯基含量达2.0％。 (8)巯基甜菜纤维对金属离子的静态吸附试验结果表明：巯基甜菜纤维对Cu2+、Pb2+、Cd2+、As2+金属离子均具有较强的吸附性能，吸附速度快。搅拌时间、巯基甜菜纤维用量、pH值、温度对吸附效果都有不同程度的影响，其中pH值、吸附温度是影响巯基甜菜纤维吸附作用的主要因素。 (9)巯基甜菜纤维对Cu2+、Pb2+、Cd2+、As2+四种离子的去除率随pH值的增加而增加，在pH值为4.0时，对各离子的去除率基本上达到最大值。其中Pb2+的去除率最大，其最大值为82％；As2+的去除率最小，pH值为4.0时的去除率为27.7％，pH值控制在4.0左右为宜；吸附温度为40℃、53℃时，吸附效果变化不明显，其中砷离子受温度影响最小。在吸附时间相同的条件下，当吸附温度升高到40℃后，各离子去除率基本上达到平衡。其中铜离子的最大去除率可达到87.3％，镉离子的最大去除率可达到83.4％，铅离子的最大去除率可达到93.7％；在不同的吸附温度下，在吸附时间为80min时，对砷离子的去除效果才有明显变化，最大去除率达到33.8％，从而确定最佳吸附温度为40℃。 (10)巯基甜菜纤维对Cu2+、Pb2+、Cd2+、As2+单一离子的静态吸附行为与Langmuir、Freundlich两种吸附模型均有较好的相关性，巯基甜菜纤维对这四种离子的单分子饱和吸附容量大小顺序为：Pb2+＞＞Cd2+＞Cu2+＞As2+，总吸附容量大小顺序为Cu2+＞Pb2+＞Cd2+＞As2+，另外，巯基甜菜纤维对Cu2+的吸附还满足线性吸附模型。 (11)巯基甜菜纤维对Cu2+、Pb2+、Cd2+混合离子的静态吸附与Langmuir、Freundlich吸附模型仍有较好的相关性，而对As2+的吸附与Langmuir、Freundlich吸附模型均不吻合，说明巯基甜菜纤维对As2+的吸附受溶液中共存的其它离子的影响强烈。在四种离子的混合溶液中，巯基甜菜纤维对其吸附强弱顺序为：Cu2+＞Pb2+＞Cd2+＞As2+，总吸附容量大小顺序为Pb2+＞Cd2+＞Cu2+＞As2+。 (12)巯基甜菜纤维对重金属离子具有较强的动态吸附能力，吸附容量大，需要经过较长的时间才能达到吸附平衡。巯基甜菜纤维对这四种离子的吸附强弱顺序为：Cu2+＞Pb2+＞Cd2+＞As2+，与静态吸附试验结果一致。 (13)采用0.4mol/L稀盐酸对处理过浓度为30.0μg/mL的Cu2+、Pb2+、Cd2+、As2+四种离子饱和吸附柱进行洗脱，在柱流速为10.0mL/min时，洗脱效果较好，稀盐酸用量为900mL时，即洗脱时间为90min时，洗脱曲线趋于平衡，SC的洗脱率为45％～53％，再生效果较好。 (14)巯基甜菜纤维对苹果汁重金属离子去除效果的研究结果表明：①30℃条件下，在35mL糖度为15.3Brix的苹果汁中，当Pb2+、Cu2+浓度分别为0.8mg/kg、8.0mg/kg时，添加2.5g巯基甜菜纤维到果汁中，处理5h后，巯基甜菜纤维达到饱和吸附状态，对Cu2+、Pb2+的最大去除率分别可达到84.6％、74.2％。 ②在30℃条件下，在吸附时间30～180min范围内，苹果汁中的Pb2+随吸附时间延长，去除率增加程度显著，180min以后基本趋于平缓，去除率无明显增加，其对Cu2+、Pb2+的最大去除率可达到85.6％、75.4％；在吸附时间30～300min范围内，纤维对浓缩苹果果汁中Cu2+的吸附一直保持良好的吸附速度，300min后吸附处于平衡状态。 ③在30～65℃范围内，随着吸附温度的升高，纤维对果汁中的Cu2+、Pb2+的吸附效果逐渐增强。其中Pb2+的去除率在30～37℃范围内变化最为显著，在37℃以后去除效果不明显，随着温度的升高，基本达到平稳饱和状态；在不同吸附温度的条件下，纤维对果汁中的Cu2+的吸附效果优于Pb2+，其去除率保持在79.6％～90.5％之间，变化幅度较小。 ④Pb2+受果汁中金属离子浓度影响程度高于Cu2+。果汁中Pb2+浓度为0.2mg/kg时，最大吸附率可达到95.3％，Cu2+浓度为1.0mg/kg时，最大吸附率可达到97.1％。

目录

文摘

英文文摘

学位论文独创性声明及学位论文使用授权声明

文献综述

试验研究

1引言

2试验材料与方法

3结果与分析

4结论

5讨论

参考文献

致谢

攻读学位期间研究成果