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檸檬渣吸附污水中Hg2﹢的動力學研究

文檔作者：沈王慶1 2 王淼1 楊婷1 文檔來源： 1．內(nèi)江師范學院化學化工學院 2．“果類廢棄物資源化”四川省高等學校重點實驗		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月11日
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上一篇：微波輻射作用下城市污水處理廠污泥的氮磷…

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第3 6卷，第3期
2 0 1 6年3月
光譜學與光譜分析
Spectroscopy and Spectral Analysis
V01．36，No．3，pp788—794
March，2016
檸檬渣吸附污水中H92+的動力學研究
沈王慶1’2，王淼1，楊婷1
1．內(nèi)江師范學院化學化工學院，四川內(nèi)江641100
2．“果類廢棄物資源化”四川省高等學校重點實驗室，四川內(nèi)江641100
摘要由于農(nóng)業(yè)廢棄物價格低廉，改性后吸附性能優(yōu)越等優(yōu)點，目前利用農(nóng)業(yè)廢棄物制作吸附劑吸附污
水中的重金屬逐漸成為研究熱點。為了研究檸檬渣對污水中H礦+的吸附動力學，利用15％硫酸對檸檬渣進
行了改性，測試了吸附劑的孔容與孔徑等性能，并利用差熱分析、紅外光譜、電鏡和能譜對樣品進行了表
征。結(jié)果表明改性檸檬渣吸附H礦+的吸附速率由膜擴散控制，符合膜擴散中Lagergren一級動力學方程，
該吸附過程主要為物理吸附。改性后的檸檬渣吸附性能有較大改善，孔徑分布主要是中孔；有三個失重過
程，在66℃左右有一個吸熱峰，在316和494℃左右有兩個放熱峰。吸附前后并檸檬渣的基本框架沒改變；
樣品屬于無定型結(jié)構(gòu)。改性檸檬渣表面疏松、多孔，能有效吸附H曠+。
關(guān)鍵詞檸檬渣；吸附；動力學
中圖分類號：0636 文獻標識碼：A IX)I：10．3964／j．issrL 1000-0593(2016}03—0788—07
引言
汞是被國際上公認為最具潛在危害的重金屬之一，根據(jù)
報告估計年全球汞排放量大約5 500 t[1]，因此，汞污染對環(huán)
境生態(tài)系統(tǒng)和人類健康將會造成嚴重威脅。開發(fā)一種新的技
術(shù)來治理汞污染長期以來一直受到研究者們的廣泛關(guān)注。目
前～些常見用于除汞的方法包括：植物治理法、離子交換
法、吸附法等[2噸]，吸附法是目前應(yīng)用最廣泛的治理方法之
一。由于農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)量大，原料價格便宜，原料地集中，
來源廣泛，且具有經(jīng)濟效益、社會效益及環(huán)境效益的特點，
越來越成為人們研究的焦點。近年來已有學者成功利用花生
殼D]、柑橘皮[10-ls]和水果殘渣[t4 16]等作為吸附劑處理工業(yè)廢
水。
檸檬渣是檸檬加工后的產(chǎn)物，2007年世界產(chǎn)生檸檬渣約
為1 200 000 t[1“。目前利用檸檬渣的研究主要有提取蛋白
質(zhì)、檸檬精油和發(fā)酵法釀造乙醇等，部分檸檬渣用做牲口飼
料Els-zo]，沈王慶等利用改性檸檬渣對甘蔗汁進行澄清，甘蔗
汁的透光率可達到94．7％[z“，但大部分檸檬渣還不能有效
利用，經(jīng)常被加工企業(yè)進行填埋，不僅造成資源浪費，而且
占用土地、污染地下水資源。利用農(nóng)業(yè)廢棄物直接用作吸附
劑不僅存在吸附容量小、性能不穩(wěn)定、不易長期存放保存等
缺點，而且存在著由于一些可溶性有機物質(zhì)如木質(zhì)素、果膠
質(zhì)和纖維素的溶解而導致水中化學耗氧量增加等問題，因此
需通過化學改性的方法提高檸檬渣的吸附容量和化學穩(wěn)定
性[2腳3|。Vania等研究了改性檸檬皮吸附砷的吸附模型和吸
附量，實驗結(jié)果表明改性檸檬皮對砷的吸附量能達到474．8
pg·g-1[243；冉敬和孫緒兵等分別研究了Hz S04改性檸檬渣
對污水中鉻(VI)的吸收工藝和檸檬酸改性檸檬皮渣對染料的
吸附性能研究，實驗結(jié)果也均到達了預(yù)期目標[2’z6]。
以檸檬渣為原料吸附污水中H92+的研究，可以達到“以
廢治廢”的功效，其相關(guān)研究鮮見報道。該研究在考察了吸
附溫度、吸附時間及H礦+的初始濃度對改性后檸檬渣吸附
H釅+的影響基礎(chǔ)上研究了吸附動力學，利用顆粒內(nèi)擴散和
膜擴散對相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進行方程擬合，以期得到檸檬渣吸附
污水中Hd+的吸附動力學方程和吸附活化能。進一步測量
分析改性檸檬渣的孔容和孔徑等吸附性能，并利用差熱分析
(TGDTA)、紅外光譜(取)、掃描電鏡(Ⅺm)和能譜(Ⅱ)x)
進行了表征。
1實驗部分
1．1材料
檸檬渣：來源于內(nèi)江市安岳縣華通檸檬有限公司；98％
Hz S04，成都市科龍化工試劑廠，分析純；HgCIz，成都艾科
達化學試劑有限公司，分析純。
收稿日期：2015—10—04。修訂日期：2016一01—25
基金項目：四川省教育廳重點項目(13ZAoooz)資助
作者簡介：沈王慶，1974年生，內(nèi)江師范學院化學化工學院副教授e-mail：sqw7418@163．corn
萬方數(shù)據(jù)
第3期光譜學與光譜分析789
1．2儀器
Bettersize2000 Autosorb iQ2全自動比表面和孔徑分布
分析儀(美國康塔儀器公司)；DX-2700X射線衍射儀(丹東浩
元儀器有限公司)；VEGA 3 SBH掃描電鏡SEM(TESCAN)；
X-射線能譜分析儀(美國伊達克斯有限公司)；
TJ270—30紅外分光光度計(天津市光學儀器廠)；H吁3差
熱分析儀(北京恒久科學儀器廠)。
1．3方法
1．3．1檸檬渣預(yù)處理
將原檸檬渣用去離子水在70℃進行水煮3 h，冷卻后用
醫(yī)用紗布包裹，反復(fù)清洗至水體基本沒有顏色，于100℃烘
干、冷卻后打磨成粉末狀，過60目篩。
1．3．2檸檬渣的改性
取50 g經(jīng)預(yù)處理的檸檬渣于l 000 mL燒杯中，慢慢向
燒杯中加入500 mL 15％H：S0。浸泡12 h后，用蒸餾水反
復(fù)洗滌抽濾直到除去剩余的HzS04，然后在60℃的烘箱中
烘干至恒重，最后用研缽研磨成細小的顆粒。
1．4吸附劑性能的研究
利用美國康塔儀器公司的Bettersize2000 Autosorb iQ2
全自動比表面和孔徑分布分析儀測量分析原檸檬渣與改性檸
檬渣的孔徑、孔容和比表面。
1．5吸附條件的優(yōu)化
1．5．1 吸附時間與初始濃度對吸附性能的影響
取0．5 g檸檬渣放人50 mL初始濃度分別為2．0×10一，
2．5×10一3，3．0X10—3，3．5×10一3和4．0×10—3 mol·L一1的
H釅+溶液中，反應(yīng)溫度為30℃，振蕩速度為100 r·rain一，
吸附時間分別為15，30，45，60，75，90，105，120，135和
150 min。反應(yīng)后過濾，測定濾液中的H92+剩余濃度，計算
出吸附率和吸附量。
1．5．2吸附溫度與吸附時間對吸附性能的影響
取0．5 g改性檸檬渣放入50 mL初始濃度為3×10_
mol·L-1的Hf+溶液中，反應(yīng)溫度分別為20，30，40，50
和60℃，振蕩速度為100 r·min～，吸附時間分別為15，
30，45，60，75，90，105，120，135和150 min。反應(yīng)后過濾，
測定濾液中的Hf+剩余濃度，計算出吸附率和吸附量。
1．6檸檬渣的表征
分別利用熱重一差熱(TpDTA)、紅外光譜(IR)、X射線
衍射儀(XRD)、掃描電鏡和能譜(SEM／EDS)對改性檸檬渣
進行表征和分析。
2結(jié)果與討論
2．1吸附劑性能的研究
檸檬渣經(jīng)1 5％硫酸改性后孔容和孔徑無明顯改變，但比
表面積較原檸檬渣增加了近5倍，達到了396 m2·g～，比
柑橘渣等改性后的比表面積高，與高比表面積的A1z 03·
Si02(350～600 m2·g-1)相當，但比活性碳的比表面積要
低㈨。
圖l為Hzs04活化檸檬渣的Nz吸附脫附等溫線及孔徑
分布。由圖1中的孔徑分布可以看出，在孔徑為3．335 4 nn3．
時出現(xiàn)最大值，小于2 nm的微分孔容積幾乎為零，因而
HzSO?；罨蟮臋幟试鼛缀醵际侵锌?。
Fig．1 N2 adsorption and desorption isotherms and pore size
distribution of H2 S04 activation lemon residues
2．2吸附時間與初始濃度對吸附性能的影響
圖2為改性檸檬渣在不同初始濃度的H釅+溶液中，吸
附時間的延長對Hf+吸附率的影響。由圖2可知開始時隨
吸附時間的延長吸附率不斷增大，120 rain以后吸附率基本
不變，且吸附時間相同的條件下H釅+的初始濃度越大吸附
率越小。這是由于開始時檸檬渣的比表面為空白表面吸附速
率大于解析速率，因而隨吸附時間的延長吸附率不斷增加，
隨時間的延長，檸檬渣的空白表面越來越少，當吸附時間達
到120 min后吸附速率與解析速率基本相同，因而此時吸附
率基本不變；吸附時問相同的條件下H釅+的初始濃度越大
吸附率也越小，這是由于實驗取的吸附劑檸檬渣的量相同，
因而總比表面積相同，實驗取得H釅+溶液的體積也相同，
因而濃度越大，H礦+的量越多，但能被吸附的H礦+的量基
本相同，因而H于+濃度越大吸附率越低。
75 90 105 120 135 150
t／min
Fig．2 Effect of adsorption time on H礦+adsorption rate
2．3吸附溫度與時間對吸附性能的影響
圖3為改性檸檬渣在不同吸附溫度下，隨吸附時間的延
長對H釅+吸附率的影響。由圖3可知在不同溫度下開始時
檸檬渣吸附Hf+的吸附速率較大，當達到一定吸附時間后
吸附率基本不變，即達到吸附平衡；溫度越高達到吸附平衡
●l
，O
O
0
0
O
O
(_guu—ollIj—o>
∞
∞
們
加
O
萬方數(shù)據(jù)
790 光譜學與光譜分析第36卷
的時間越短。這是由于開始時吸附速率大于解析速率因而開
始時吸附速率較大，當吸附速率與解析速率相等時達到吸附
平衡；溫度越高達到吸附平衡的時間越短，這說明隨溫度的
升高，H于+從溶液中擴散到檸檬渣的空白表面速率不斷增
加，檸檬渣吸附i-i92+的吸附速率也不斷增加，因而溫度越
高達到吸附平衡所需的時間越短。
OO
80
60
40
20
O
0 15 30 45 60 75 90 105】20 135 150
t／rain
Fig．3 Effect of adsorption temperature on
H孑+adsorption rate
2．4吸附動力學方程
多孔吸附劑的吸附過程，一般包括顆粒外部擴散、顆粒
內(nèi)部擴散和吸附反應(yīng)三個連續(xù)階段。吸附過程的總速率按照
上述順序取決最慢的一步。一般第三階段“吸附反應(yīng)”速度最
快。因而吸附速率主要研究顆粒外部擴散階段和顆粒內(nèi)部擴
散階段[26-31]。
2．4．1顆粒內(nèi)擴散的擬合
由圖2可知90 rain之前吸附較迅速，之后吸附速率變
慢?？梢哉J為吸附過程分為兩步進行。第一步是顆粒外擴
散，即90 min之前Hr+從溶液中擴散到檸檬渣顆粒的表
面，第二步是顆粒內(nèi)擴散，即90 rain之后H釅+向檸檬渣顆
粒內(nèi)層毛孔擴散。如果控速步驟由顆粒內(nèi)擴散決定，則以
t“5對qt作圖所得的圖形應(yīng)為直線。用顆粒內(nèi)擴散方程對圖2
中90 rain中后的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果如圖4和表l所示。
360
330
300
’曲270
善240
210
180
150
002tool L-。
0025tool L
003tool L。。
0035toolL
004tool L+。
10 ll 12 13
fo 5／min
Fig．4 qr—f“5 of Hf+adsorpted by lemon residues
由圖4和表1可知，檸檬渣吸附H釅+的顆粒內(nèi)擴散方
程擬合結(jié)果線性關(guān)系較差，因而90 min中后這段吸附過程
不受顆粒內(nèi)擴散控制?？赏频脤釅+吸附的整個過程應(yīng)該
受顆粒外部擴散，即膜擴散控制。
Table 1 The fitting equation and parameter
of the pellet diffusion
2．4．2膜擴散的擬合
膜擴散滿足Lagergren一級動力學方程和二級動力學方
程，表達式分別為
一級動力學方程
lg(qe—qt)一lgqe一燾‘
二級動力學方程
三一! 上三
q。(吼)2k2。q。
其中qe為平衡時的吸附量，mg·g～；qt為t時刻的吸附量，
mg·g～；志。為一級吸附速率常數(shù)；k2為二級吸附速率常
數(shù)；t為吸附時間。分別用膜擴散兩個方程對圖2中的數(shù)據(jù)
進行處理，結(jié)果如圖5和圖6所示，擬合參數(shù)見表2和表3。
3．0
2．5
2．0
?；?
1．5
蚤
1．0
0．5
0．0
O-6
0．5
O·4
喜o。3
0．2
0·1
0．O
0 15 30 45 60 75 90 105 120
dmin
Fig．5 The first order kinetics of嚼+
adsorpted by lemon residues
0 20 40 60 80 100 120
t／rain
Fig．6 The second order kinetic of Hg+
adsorpted by lemon residues
萬方數(shù)據(jù)
第3期光譜學與光譜分析79t
Table 2 The fitting equation and parameter
of the f'wst order kinetics
Table 3 The fitting equation and parameter
of the second order kinetics
進一步用膜擴散兩個方程對圖3中的數(shù)據(jù)進行擬合處理
可得表4，
Table 4 The fitting parameter of the f'ust and
the second order kinetics of Lagergren
由表2、表3和表4可知檸檬渣吸附H矛+能更好地滿足
膜擴散中Lagergren一級動力學方程，因而檸檬渣吸附H礦+
的吸附速率，整過過程由膜擴散控制，且滿足Lagergren一
級動力學方程；由表4進一步可知一級吸附率常數(shù)隨溫度的
升高而增加。表明吸附速率隨溫度的升高而加快與圖3的分
析一致。
2．4．3反應(yīng)活化能
溫度對吸附速率的方程可用阿倫尼烏斯方程來描述，由
阿倫尼烏斯方程可得[3。3加
Ink一導+1m (1)
其中Ea為活化能、k為速率常數(shù)、A為常數(shù)、丁表示吸附溫
度。選取表s中與溫度相對應(yīng)的一級動力學擬合速率常數(shù)k，
代入式(1)中以Ink對1／T作圖，見圖7所示。
由圖7可知直線方程為Ink=一0．933 4專+4．396 8，
相關(guān)系數(shù)Rz=0．922 4，由直線斜率可得吸附活化能Ea為
7．76 J·mol～，即該反應(yīng)活化能在物理吸附反應(yīng)活化能o～
40 kJ·m01．1范圍內(nèi)，所以該吸附過程主要為物理吸附。
1．65
1．60
1．55
1．50
喜1．45
互1．40
口
一1．35
1_30
1．25
1．20
3．O 3．1 3 2 3 3 3．4 3．5
(1／砷×1000
Fig．7 Relation of the reaction rate constant and temperature
2．4檸檬渣的表征
2．4．1改性檸檬渣的TGDTA分析
圖8為硫酸改性檸檬渣的TG／DTA圖，對硫酸改性檸
檬渣在10～500℃進行了差熱分析。檸檬渣由半纖維素、纖
維素和木質(zhì)素等組成，纖維素和木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)不一樣，熱解
溫度也不一樣，在失重的同時，達到一定溫度也會出現(xiàn)放熱
或吸熱峰。由TG曲線可知，在10～500℃之間存在三個失
重過程，加熱到199℃時主要是除去了滯留在檸檬渣中的內(nèi)
附水和外附水，從199～359℃進行的是熱解反應(yīng)，在此階段
有較大的質(zhì)量損失，失去的重量約為60％，在該溫度下的熱
解過程主要是纖維素、半纖維素的分解，同時失去殘留的被
吸附的水分；359～500℃之間的失重主要是木質(zhì)素的分解，
說明木質(zhì)素比纖維素具有較高的熱穩(wěn)定性。
35
30
25
—20
暑15
呂10
100
80
60
芝
40昌
20
0
0 100 200 300 400 500
∥℃
Fig．8 TG／ffrA graph of modified lemon residues
由圖8中的DTA曲線可知在66℃左右有一個吸熱峰，
在316和494℃左右為兩個放熱峰，分別對應(yīng)TG曲線的三
個失重過程。
2．4．2紅外光譜分析
圖9為硫酸改性后的檸檬渣和吸附H礦+后檸檬渣的紅
外光譜圖。由圖9可知吸附前后材料的紅外光譜圖總體差異
不明顯。硫酸改性檸檬渣在3 450 cm．1附近的吸收峰較強且
寬，表明樣品中存在締合的。一H伸縮振動峰；2 940 cm_1
處的蜂為CHs，CH：的不對稱伸縮振動峰；2 875 cm-1處的
峰為CH。的對稱伸縮振動峰；1 757和1 659 cm_1附近的峰
萬方數(shù)據(jù)
792 光譜學與光譜分析第36卷
為羧基和酮基中C=O的特征伸縮振動峰，后者也可能與
苯環(huán)發(fā)生了共軛；在1 659 cm_1(酰胺I)，1 543 em_1(酰胺
Ⅱ)附近出現(xiàn)吸收峰說明檸檬渣里存在蛋白質(zhì)，在1 543
em-1處峰不明顯說明蛋白質(zhì)的含量不高，1 519 cm_1處峰為
苯環(huán)的骨架伸縮振動峰；1 461 cm叫峰為CH。和CH2的不
對稱彎曲振動峰；l 388 cm-1峰為CHs的對稱彎曲振動峰；
1 248 em-1峰表征木質(zhì)素中苯烴基中C_0鍵的伸縮振動；
1 166 cml及附近的肩峰，主要產(chǎn)生于OH的彎曲振動和
C—C卜．C的伸縮振動。吸附H釅。后的檸檬渣羧基的羧基峰
(1 756 cm_1)、酮羰基峰(1 651 cm_1)等發(fā)生了紅移，最大
吸收峰波數(shù)略有降低，主要原因是吸附H礦+后，部分與酚
烴基結(jié)合的H+被H矛+取代，引起C_0鍵的振動強度下
降。紅外分析表明吸附前后并沒改變檸檬渣的基本骨架。
Lemo乳n residue．僧smodified by sulphuric m-∞ 。薰／㈣弋；催磐：至
^弋一廠隊屜h兀7 疊圳螋
Fig．9 The IR specture of different samples
1 600
1 400
1 200
蚤l 000
晶
2 800
三
600
400
200
10 15 20 25 30 35 40
2刮r01
Fig．10 The XRD of different samples
2．4．3 X射線衍射儀(XRD)
圖10為H：S04活化檸檬渣及吸附H釅+后的XRD圖。
由圖10可知，改性檸檬渣吸附前后整個角度范圍內(nèi)均有許
多峰型較寬的肩峰，說明樣品像活性碳一樣都屬于無定型結(jié)
構(gòu)[2]，吸附H礦+后檸檬渣的XRD曲線在改性檸檬渣上方，
表明改性檸檬渣吸附Hf+后的衍射強度增加了。
2．4．4 電鏡能譜(SEM／EDS)分析
圖1l、圖12分別為原檸檬渣和改性后檸檬渣的SEM
圖；圖13為吸附Hf+的改性檸檬渣的能譜分析。由圖11、
圖12可知原檸檬渣表面凝聚成塊狀，經(jīng)改性后表面變疏松，
形成了許多孔，比表面積明顯增大，與表1中的數(shù)據(jù)相對應(yīng)。
由圖13可知吸附劑中主要含有碳、氧、硫、汞和氮元素，且
碳元素形成的峰最高。表明改性檸檬渣主要成份為碳元素；
硫和氧元素表明檸檬渣被硫酸有效改性；汞元素表明H孑+
被吸附了，但汞元素形成的峰不高，主要是吸附后汞元素的
質(zhì)量占總質(zhì)量的比例不高，由圖2可知4．0×10-3 tool·L叫
的H釅+溶液中吸附達到平衡時汞元素的質(zhì)量僅占吸附劑的
8％左右；氮元素表明檸檬渣中含有蛋白質(zhì)，但形成的峰不
高，表明含量較低，與圖9中樣品紅外光譜圖在1 543 em叫
處的峰未分開的現(xiàn)象一致。
Fig．1 1 SEM of origin lemon residues
(SEM MAG4．96kx)
Fig．12 SEM of modified lemon residues
(SEM MAG 4．96kx)
3結(jié)論
用15％H。s04改性后的檸檬渣其吸附性能優(yōu)于原檸檬
渣；隨吸附時間的延長吸附率不斷增加，到90 rain以后達吸
附率平衡，吸附時間相同的條件下Hr+的初始濃度越大吸
附率越??；在不同溫度下開始時檸檬渣吸附H釅+的吸附速
率較大，當達到一定吸附時間后吸附率基本不變，溫度越高
達到吸附平衡的時間越短；改性檸檬渣吸附H釅+比較符合
膜擴散中Lagergren一級動力學方程，因而吸附速率由膜擴
散控制，在此基礎(chǔ)上得到活化能為7．76 J·tool～，該吸附過
程主要為物理吸附。改性后的檸檬渣吸附性能有較大改善，
萬方數(shù)據(jù)
第3期光譜學與光譜分析793
Fig．13 EDs analysis of modified residues lemon adsorption of H礦+
孔徑分布主要是中孔；有三個失重過程，在約66℃有一個
吸熱峰，在約316和494℃有兩個放熱峰。吸附前后并沒改
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9
D0
[11
U12
[13
E14
[15
[16
1-17
[18
[-19
[20]
[21]
[22
[23
[24
[25
[26]
[27]
[28]
變檸檬渣的基本框架；樣品屬于無定型結(jié)構(gòu)。改性檸檬渣表
面疏松，形成了許多孔，能有效吸附He+。
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Study on Kinetic of H92+from Wastewater Absorbed by Lemon Residues
SHEN Wang-qin91～，WANG Mia01，YANG Tin91
1．College of Chemistry and Chemical Engineering，Neijiang Normal University，Neijiang 641100，China
2．Key Laboratory for Fruit Waste Treatment and Resource Recycling of Sichuan Provincial College，Neijiang 641100，China
Abstract With low price and its superior adsorption performance after modification，currently agricultural waste is used as
adsorbent of heavy metals in wastewater，which has become a hot research topic．To study on H92+from wastewater absorbed
by 1emon residues that has been modified by 15％concentration of sulphuric acid．The pore volume，pore size and other properties
of the adsorbent were test．The samples were characterized by differential thermal analysis，IR，electron microscopy and
spectroscopy．The result showed that the adsorption rate was controlled by membrane diffusion kinetics that was viewed as the
first order kinetics equation of the Lagergren，which was physically absorbed．The adsorption properties of modified lemon resi—
dues were improved greatly，and the pore size distribution mainly was medium．There were three losses—weight process．There
was a endothermic peak around 66℃and two exotherm near 316℃and 494℃．Basic framework of Lemon residues was not
changed and structure of Lemon residues was amorphoUS：the surface of modified lemon residues loosen and many pores formed，
and H92+have been adsorbed effectively．
Keywords Lemon residues；Adsorption；Kinetic
(Received Oct．4，2015；accepted Jan．25，2016)

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