武学文，付岩，陈浩宇，杨静



壳聚糖和高炉渣复合材料的制备及其对污水处理的研究

武学文，付岩，陈浩宇，杨静

（沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159）

将壳聚糖和高炉渣制成复合吸附剂，采用振荡吸附实验，探究了吸附剂的投加量、粒度、振荡时间以及高炉渣与壳聚糖的配比对铜离子废水吸附效果的影响。实验结果表明，当投加量为5.0g/L，粒度为100目，振荡时间为2 h，高炉渣与壳聚糖的配比为30:1时，复合吸附剂对Cu2+的吸附达到最佳。

壳聚糖；高炉渣；铜离子废水

随着科技的发展，环境问题已经成为当下时局的热点话题，工业废水的排放更是环境保护的重要课题。现代废水处理主要分为三类：物理处理法、化学处理法和生物处理法。吸附法是除去废水中重金属离子的重要方法之一，其原料易得，且价格便宜，对于废水中重金属离子的去除效果也十分显著，所以很受关注，是当下处理废水中重金属离子的主要手段[1-2]。

重金属的毒性及其在食物链中生物累积的危险是现代社会面临的环境和健康的主要问题之一[3]。工业废水中往往含有大量的铜，土壤的含铜量已经达到土壤原始含铜量的数十倍之多，对动物、植物、微生物危害严重。工业废水除铜则显得尤为重要。对于当代工业废水中的铜的处理方法很多，其中高炉渣对铜离子有显著的吸附作用，平均吸附水平达90％以上，是良好的铜吸附剂，而且价格便宜，易于获得，因此得到广泛的认可。但由于现代工业对吸附剂的要求越来越高，一般的高炉渣吸附剂效果难以满足工业生产条件。因此，大量的对高炉渣进行改性的研究实验不断涌现[4-5]。近年来，作为新兴吸附剂材料，壳聚糖及其改性物分子中因含有大量的羟基和氨基，对金属离子具有很强的螯合作用，而受到广泛关注[6]，通过壳聚糖改性处理高炉渣的吸附性研究也取得了一定的成果，成为了高炉渣吸附问题的热点课题。

本文使用壳聚糖对高炉渣进行复合处理，来测试其对铜离子的吸附效果，系统的研究了不同参量对吸附效果的影响，确定了最佳吸附效果的相关参数，从而拓宽了高炉渣的综合利用，研发出新型、廉价的吸附剂。

1 实验部分

1.1 实验材料和试剂

高炉渣：取自沈阳市苏家屯区冬明钢管厂，粉碎后过60目、100目、150目、200目筛烘干备用；壳聚糖：脱乙酰度80.0％~95.0％。

1.2 主要仪器

800电动离心机：上海江星仪器有限公司；721型可见分光光度计：上海光谱仪器有限公司；HH-1数显恒温水浴锅：常州国华电器有限公司；JA1203N电子天平：上海精密科学仪器有限公司；GZ-1205数显电动搅拌器：江苏金坛市友联仪器研究所；JB-2定时双向磁力加热搅拌器：江苏金坛市金城国胜实验仪器厂；101-0型A数显电热恒温鼓风干燥箱:上海锦屏仪器仪表有限公司；HY-5回旋式振荡器：江苏金坛市友联仪器研究所。

1.3 壳聚糖-高炉渣复合吸附剂的制备

称取若干壳聚糖，溶于质量分数为2％的乙酸中，配制成壳聚糖质量分数为1％的混合溶液，将(高炉渣)：（壳聚糖）按照一定的比例，在混合溶液中加入高炉渣，在水浴温度为60 ℃下机械搅拌50 min后，80 ℃烘干、研磨、过相关目筛，制得复合吸附剂，放入密封袋中备用[1]。

1.4 实验方法

量取一定浓度的CuSO4溶液10 mL，置于25 mL的锥形瓶中，加入一定量的吸附剂，在振荡器上以200 r/min的转速振荡一定时间后，静置，在转速3500 r/min的条件下离心10 min。取适量的上清液，利用二乙基二硫代氨基甲酸钠萃取光度法[7]测定上清液中Cu2+的浓度。并按下式计算Cu2+的去除率：去除率=（1-/0）×100％，式中0和分别为吸附前、后的吸光度。

2 实验结果与讨论

2.1 复合吸附剂投加量对吸附效果的影响

室温下，分别以3.0、3.5、4.0、4.5、4.0、5.0、5.5、6.0 g/L的投加量在10 mL浓度为400 mg/L的CuSO4溶液中投加200目的复合吸附剂，振荡吸附1 h后，离心10 min，测定上清液的吸光度，并计算去除率。结果如图1所示。

图1 复合吸附剂投加量对吸附效果的影响

溶液中的Cu2+的去除率随复合吸附剂投加量的增加而呈现明显的递增趋势。当投加量为5.0 g/L时，Cu2+的去除率达到最大，而后吸附趋于平衡，去除率不再上升。

2.2 复合吸附剂粒度对吸附效果的影响

室温下，分别将60目、100目、150目、200目的高炉渣（BFS）和复合吸附剂（C-BFS）以3.5 g/L的投加量，加入10 mL浓度为400 mg/L的CuSO4溶液中，振荡吸附1 h后，离心10 min，测定上清液的吸光度，并计算去除率。结果见图2。

复合吸附剂的粒度对其吸附Cu2+有较大的影响，当粒度大于100目后，Cu2+的去除率显著下降；粒度小于100目时，Cu2+的去除率随粒度的增大而增加。这是由于随着吸附剂粒度的增加，其比表面增大，吸附能力增强。且复合吸附剂吸附能力明显高于高炉渣的吸附能力，从而印证了本实验的意义。

2.3 振荡吸附时间对吸附效果的影响

室温下，将粒度为200目的复合吸附剂以3.5 g/L的投加量，加入10 mL浓度为400 mg/L的CuSO4溶液中，分别振荡0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h后，离心10 min，测定上清液的吸光度，并计算去除率。结果如图3所示。

图2 复合吸附剂粒度对吸附效果的影响

图3 振荡吸附时间对吸附效果的影响

振荡吸附时间从0.5 h增加到2.0 h，Cu2+的去除率也随之增加，当振荡吸附时间超过2.0 h之后，Cu2+的浓度基本不再发生变化，达到吸附平衡。

2.4 高炉渣-壳聚糖复合吸附剂配比对吸附效果的影响

室温下，将壳聚糖的质量固定，改变高炉渣的投加质量，按照质量比（壳聚糖）：(高炉渣）为1∶20、1∶25、1∶30、1∶35制备4种不同的吸附剂（200目）。以3.5 g/L的投加量投加到10 mL浓度为400 mg/L的CuSO4溶液中，振荡吸附1 h后，离心10 min，测定上清液的吸光度，并计算去除率。结果见图4。

随着高炉渣与壳聚糖质量比的增加，Cu2+的去除率先增大后减小，当高炉渣与壳聚糖质量比为30∶1时，Cu2+的去除率可达90％以上。

3 结论

在壳聚糖与高炉渣复合过程中，壳聚糖聚集缠绕在高炉渣的表面上，使高炉渣细小颗粒之间发生粘附，复合物表面粗糙不平，从而增大了高炉渣的比表面，提高了其对Cu2+废水吸附能力。

图4 高炉渣-壳聚糖复合吸附剂配比对吸附效果的影响

实验结果表明复合吸附剂对Cu2+具有较强的吸附作用，当复合吸附剂的投加量达到5.0 g/L时，Cu2+的去除率可达97.85％。高炉渣-壳聚糖复合吸附剂对Cu2+的吸附在2 h即可达到平衡；按壳聚糖/高炉渣质量比为1∶30时，Cu2+的去除率可达90％以上；复合吸附剂的粒度为100目时，吸附效果最佳Cu2+的去除率达95％以上。

［1］沈俊菊，王丽娟，李海霞，李彦儒. 壳聚糖改性高炉渣对水溶性染料的吸附[J]. 化工环保，2013, 33(5): 437-441.

［2］贝利平，单宝田，唐洪杰，陆金仁. 壳聚糖的改性及其在重金属吸附方面的应用[J]. 海洋科学，2010，34 (6): 100-103.

［3］葛华才，武娜娜. 改性壳聚糖吸附Cr(VI)的应用研究进展[J]. 材料导报，2013，27 (7)：87-89.

［4］蒋艳红，马少健，廖芳艳. 高炉渣对铬离子的吸附特性研究[J].有色矿冶，2005，21 (2)：155-157.

［5］廖芳艳，马少健. 高炉渣处理含铜离子废水的试验研究[J]. 中国非金属矿工业导刊，2007，64 (2)：34-35+138.

［6］李琛. 改性壳聚糖处理重金属废水研究现状[J]. 电镀与饰，2011，33 (10): 21-25.

［7］郑礼胜，王士龙，等. 矿渣对废水中铅、铬的吸附去除试验[J].上海环境科学，1999 (4)：165-166+172.

Study on Preparation of Chitosan and Blast Furnace Slag Composite Material and its Application in Wastewater Treatment

WU Xue-wen, FU Yan, CHEN Hao-yu, YANG Jing

（College of Environmental and Chemical Engineering, ShenYang Ligong University, Shenyang Liaoning 110159，China)

In this paper, chitosan and blast furnace slag were made into composite adsorbent. Through the oscillation adsorption experiment, the effects of adsorbent dosage, particle size, oscillation time and the ratio of blast furnace slag and chitosan on the adsorption of copper ion wastewater were investigated. The experiment results show that when the dosage is 5.0g/L, the particle size is 100 mesh, the oscillation time is 2h, and the ratio of blast furnace slag to chitosan is 30:1, the adsorption of Cu2+by composite adsorbent is the best.

Chitosan; Blast furnace slag; Copper ion wastewater

2016-03-13

武学文（1995-），男，河北省张家口市人，研究方向：腐蚀与防护。

辽宁省大学生创新创业训练计划项目,项目号：201610144041。

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1004-0935（2017）05-0429-03