闫荣荣,武建英,郝瑞刚

（太原工业学院环境与安全工程系,山西太原030008）

用废弃茶叶渣制备纤维素黄原酸酯的实验研究

闫荣荣,武建英,郝瑞刚

（太原工业学院环境与安全工程系,山西太原030008）

本实验通过改变NaOH的用量、CS2的用量、黄化搅拌时间、MgSO4的用量的单因素研究,并通过正交实验得出最佳的制备条件.实验结果表明：NaOH溶液用量为20ml,CS2溶液用量为0.4ml,黄化搅拌时间为30min,MgSO4溶液用量为25ml的条件下制备的废弃茶叶渣纤维素黄原酸酯的吸附效果最好,其吸附率得到了很大提高；浓度为50mg／L的含铅或镉废水经在最佳制备条件下得到的废弃茶叶渣纤维素黄原酸酯处理后,铅或镉的吸附率提高了41.56%和34.78%.

废弃茶叶渣；纤维素黄原酸酯；吸附；重金属离子

伴随着工业的飞速发展,很多污染物未经处理或者处理未达标就排放到水体中,尤其是许多工厂的大量含重金属离子废水未经严格的处理就被排放,在土地耕种中农药与杀虫剂的大量滥用,造成水体和土壤的重度污染.含重金属废水的处理主要有沉淀法、离子树脂交换法、吸附法等.其中吸附法具有工艺流程简单、处理效果好、可操作性强等优点.

近年来生物类吸附剂因其价廉易得、吸附效果好、可资源化等显著优势而广受环境科学家们的青睐,树叶、坚果壳、稻谷、锯末、玉米棒、鸡毛等多种生物吸附剂被广泛应用于水体中重金属的去除.目前我国对茶叶渣作为吸附剂研究甚少.茶叶是一种含网状结构的多孔性材料,富含茶多酚、单宁酸、纤维素等多种成分,且红外光谱表明,茶叶表面含有大量羧基、酚羟基、氨基等功能基团.这些功能基团通常都能与重金属形成离子交换或络合作用,因此茶叶作为一种生物吸附剂也被广泛应用于水体中Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Cr（Ⅵ）等重金属的净化,废弃茶叶渣用于水体中重金属的吸附不仅能实现水体净化,而且还有利于废弃茶叶渣的资源化［1－9］.所以研制高效的废弃茶叶渣纤维素黄原酸酯吸附剂对含重金属离子的废水处理具有一定的实际意义.

1 材料与方法

1.1 实验材料

废气茶叶渣：在商店购买的河南信阳毛尖,先热水浸泡24h后取出、沥干、放入烘箱（温度设为60℃）中进行烘干至恒重后用于本实验.

实验中Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）的储备液分别由分析纯的氯化镉和硝酸铅粉末配制,其他药品均为分析纯试剂.

1.2 实验过程

1）将烘干的废弃茶叶渣破碎后取1g于100ml的烧杯中,加入一定量的20%的NaOH溶液,搅拌45min后过滤,用压滤机压滤抽干得到滤饼.

2）将所得到的滤饼放入250ml的烧杯中,加入10%NaOH溶液20ml,搅拌均匀,然后边搅拌边加入一定量的CS2溶液,在室温条件下搅拌反应一定时间后,加入一定量的5%MgSO4溶液再搅拌10min,过滤,把所得到的滤渣用大量的MgSO4溶液、蒸馏水和无水乙醇冲洗.

3）把所得的滤渣放置于60℃的烘箱内干燥4h得到干燥的废弃茶叶渣纤维素黄原酸酯.

4）在250ml烧杯中加入50ml的50mg／L的含铅或镉废水,用HCl调节pH到中性,称取1g纤维素黄原酸酯加入其中,在室温下搅拌30min,静置,过滤得到上清液,用火焰原子吸收光谱仪,在波长283.3nm处测量上清液的浓度.

2 结果与讨论

2.1 碱化时NaOH用量

制备过程中NaOH用量对重金属离子吸附效果的影响如图1所示,可以发现Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的吸附率曲线趋势一致,都是随着NaOH用量的增加,吸附效果呈现出先上升再下降的趋势,适宜的NaOH用量,有利于纤维素的碱化反应过程,如果氢氧化钠的用量高,会使碱纤维素膨胀,但伴随着的副反应也会增多：游离的NaOH会与后来投加的CS2发生化合反应,生成Na2CS3,Na2CO3和H2O.发生这些相关副反应对废茶叶纤维素黄原酸酯的吸附效果不利.反之,如果氢氧化钠的用量少,纤维素就会发生水化反应,影响后面的黄化反应.因此,氢氧化钠的用量对所制备的废弃茶叶纤维素黄原酸酯吸附Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）性能有很大的影响.由图1可以得知在NaOH用量为20ml时吸附效果最好,吸附率为87.0%和75%.

2.2 黄化时CS2用量

制备过程中黄化时CS2用量对重金属离子吸附效果的影响如图2所示,可以发现随着CS2溶液用量的增加,对Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的吸附率曲线趋势一致,都是随着CS2用量的增加,吸附效果呈现出先增长后下降的趋势.主要归因于黄化反应中CS2用量会影响到制备的废弃茶叶渣纤维素黄原酸酯中硫的含量,CS2起到了使纤维素进行黄化反应的目的,所以CS2用量对黄化反应有很大的影响,如果加入的用量太少,纤维素就不能完全反应；如果加入的用量太大,就会提高纤维素的黄原酸化程度,CS2的利用率就会降低,从而增加了实验的成本,并对后面的处理过程造成严重的影响.因此,控制一定的CS2用量对于Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的去除效果尤为重要,由图2可以看出,CS2用量对于Pb（Ⅱ）的吸附效果影响大于Cd（Ⅱ）的吸附效果影响,所以本实验取CS2用量为0.4ml,这时纤维素黄原酸酯对Pb（Ⅱ）的吸附效果达到最好,吸附率为85.2%,纤维素黄原酸酯对Cd（Ⅱ）的吸附吸附率为76.1%.

图1 NaOH用量对重金属离子吸附效果的影响

图2 CS2用量对重金属离子吸附效果的影响

2.3 黄化时搅拌时间

制备过程中黄化时搅拌时间对重金属离子吸附效果的影响如图3所示,可以发现随着黄化时搅拌时间的增加,对Pb（Ⅱ）吸附效果呈现出先增长后下降的趋势,对Cd（Ⅱ）的吸附效果呈现出先增长后基本保持不变的趋势.黄化反应中废茶叶纤维素与CS2的反应时间对废茶叶纤维素黄原酸酯的含硫量有一定影响.随着搅拌时间的增加,纤维素黄原酸酯的取代度增加,其中的硫含量机会增多,所以吸附效果就会越来越好,但是如果搅拌时间过长,纤维素就会发生水解皂化反应,破坏了纤维素的结构,同时使废茶叶纤维素黄原酸酯中的硫含量减少,从而降低了生成的纤维素黄原酸酯对Pb2＋的吸附效果.当搅拌时间为60min时,纤维素黄原酸酯的吸附效果达到最好,吸附率分别为86.6%和88.2%.

2.4 MgSO4用量

制备过程中MgSO4用量对重金属离子吸附效果的影响如图4所示,可以发现Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的吸附率曲线趋势一致,都是随着MgSO4用量的增加,吸附效果呈现出先增长后下降的趋势.由于纤维素之前与NaOH反应,黄原酸酯中正电荷数量比较少,离子极化力变低,使得生成的纤维素黄原酸酯的半径增大,因此会与氧及硫元素形成不稳定的鳌合物,分解需要一段时间才能够发生.而且钠型纤维素黄原酸酯作为中间体非常不稳定,为了增强其稳定性需要加入镁盐与其反应,形成镁盐后Mg2＋与纤维素黄原酸酯中的氧和硫原子形成的鳌合物稳定性就会大大增强,从而延长了纤维素黄原酸酯的储存时间和使用周期.由图4可以看出当MgSO4用量为20ml时,纤维素黄原酸酯对Pb（Ⅱ）的吸附效果达到最好,吸附率为85.8%,当MgSO4用量为30ml时,纤维素黄原酸酯对Cd（Ⅱ）的吸附效果达到最好,吸附率为88.2%.考虑到制备的纤维素黄原酸酯吸附不同的重金属离子的吸附效果的影响,本实验取Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）最高吸附效率中间值对应的MgSO4用量,即MgSO4用量为25ml.

2.5 利用正交实验研究最佳的制备方案

根据上面实验结果设计L9（34）的正交实验如表1,然后根据正交实验表2得出9个不同制备条件下的废弃茶叶渣纤维素黄原酸酯.

图3 搅拌时间对重金属离子吸附效果的影响

图4 MgSO4对重金属离子吸附效果的影响

表1 正交实验因素表

表2 制备的纤维素黄原酸酯正交实验表

由表3可以得出制备纤维素黄原酸酯对Pb（Ⅱ）吸附率和Pb（Ⅱ）吸附率这两项指标单独分析出的优化条件不一致,需根据因素的影响主次,综合考虑,确定最佳工艺条件为A2B2C3D2,即NaOH溶液用量为20ml,CS2溶液用量为0.4ml,黄化时搅拌时间为90min,MgSO4溶液用量为25ml.

表3 因素主次顺序和优化水平组合表

2.6 对比实验

采用上述优化条件进行了三组实验,实际工艺条件调整为A2B2C3D2,制备的纤维素黄原酸酯对Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）进行吸附,吸附率平均值分别达到了89.76%和91.7%,在同样情况下,利用废弃茶叶渣对Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）进行吸附,得到的吸附率为48.20%和56.92%,明显可以看出经过实验得到的纤维素黄原酸酯吸附效果比没有经过处理的废弃茶叶渣好,前者与后者相比,吸附率分别提高了41.56%和34.78%,吸附效果达到1.86倍和1.61倍.

3 结语

根据单因素实验结果,设计了正交实验,获得了制备纤维素黄原酸酯的最佳工艺条件为：NaOH溶液用量为20ml,CS2溶液用量为0.4ml,黄化时搅拌时间为90min,MgSO4溶液用量为25ml.通过对比实验得出纤维素黄原酸酯吸附效果比没有经过处理的废弃茶叶渣好,前者与后者相比,吸附效果达到1.86倍和1.61倍.

通过研究制得的废弃茶叶渣纤维素黄原酸酯吸附剂,不但实现了废物的资源化利用,还对含重金属离子的废水处理具有一定的实际意义.

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Study on Adsorption of Heavy Metal from Waste Water with Waste Tea Xanthate

YAN Rongrong,WU Jianying,HAO Ruigang
（Department of Environmental and Safety Engineering,Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan 030008,China）

The influence of the amount of sodium hydroxide,the amount of carbon disulfide,carbon disulfide reaction time and the amount of magnesium sulfate on the ions adsorption with tea waste xanthate by single－factor experimental method and the orthogonal experimental design method was studied in this paper and drew the curve of four influencing factors on adsorption rate and adsorption quantity.The result showed that the obtained optimum technological parameters in preparation of the cellulose xanthate were respectively as follows：the amount of sodium hydroxide 20mL,the amount of carbon disulfide 0.4mL,and carbon disulfide reaction time 30min,the amount of magnesium sulfate 25mL.The Pb2＋and Cd2＋removal rate was increased 41.56%and 34.78%for 50mg／L Pb2＋and Cd2＋solution with the cellulose xanthate preparaed under the optimal conditions.

tea waste；cellulose xanthate；adsorption；heavy metal ion

1672－2027（2016）04－0073－04

TS272

A

2016－09－06

闫荣荣（1981－）,女,山西霍州人,硕士,太原工业学院助教,主要从事水体污染处理研究.