改性壳聚糖/莜麦秸秆纤维素吸附剂的制备及对重金属吸附性能的研究

2019-01-24

山东化工 2019年1期

(呼和浩特民族学院环境工程系，内蒙古呼和浩特 010051)

随着科学技术的快速发展，工业废水和生活废水的排放量越来越大，环境污染日益严重，人类健康受到了严重的威胁。重金属离子随废水排出，即使浓度小，也能污染环境，影响人们的健康。所以如何减低废水中的重金属含量减轻重金属对环境的污染意义重大。处理废水中金属离子的方法中吸附法效果较好[1-2]。利用吸附剂处理废水中的金属离子不仅投资少、费用低、而且可回收有用金属、不会产生二次污染、吸附剂可重复使用等优点[3]。

壳聚糖是自然界中储量较大的天然高分子多糖，可作为良好的吸附剂用于废水中重金属离子的去除[4]。壳聚糖对一些重金属离子的吸附量较小，导致去除效率不高。壳聚糖分子链上存在大量的羟基和氨基，可以通过化学改性方法提高吸附能力[5]。壳聚糖作为重金属吸附剂使用时存在机械强度较低的问题。莜麦秸秆等农作物废弃物中含有大量的纤维素，其抗拉强度高，并且可与壳聚糖分子结构相似，具有相容性，因此，通过将莜麦秸秆纤维素与壳聚糖共混处理将氨基引入到纤维素上可提高吸附性能也可提高壳聚糖的机械强度。本文以改性的壳聚糖与莜麦秸秆纤维素共混制备吸附剂，并考察其对铜离子的吸附性能。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

莜麦秸秆(内蒙古自治区乌兰察布盟武川县)；壳聚糖( 脱乙酰度90%) ；二硫化碳；25%戊二醛水溶液；正己烷；次氯酸钠；氢氧化钠；盐酸；丙酮；甲醇；乙酸。

原子吸收光谱仪、水浴恒温振荡器、真空干燥器、低温高速离心机、实验室pH 计、分析天平、超纯水机。

1.2 莜麦秸秆纤维素的制备

莜麦秸秆用蒸馏水清洗干净，在沸水中煮1 h，烘箱中烘干。用粉碎机粉碎，过60目筛，得到秸秆粉末。称取10 g莜麦秸秆粉末使用正己烷、次氯酸钠、NaOH碱溶液处理后用去离子水、乙醇，丙酮冲洗后，置于70 ℃烘箱中干燥24 h至恒重。得到莜麦秸秆纤维素，备用。

1.3 改性壳聚糖的制备

1 g壳聚糖加入到100 mL甲醇溶剂中，加入戊二醛水溶液，搅拌4 h，反应后抽滤，得到交联壳聚糖。将交联壳聚糖加入到50 mL NaOH溶液中，再加入CS2，混合溶液在搅拌反应24 h。反应后抽滤，用蒸馏水洗涤滤渣至中性，最后用无水乙醇洗涤，室温真空干燥12 h，得到交联黄原酸壳聚糖。

1.4 改性壳聚糖和莜麦秸秆纤维素的共混物

2 g壳聚糖加入100 mL的1%乙酸中，在70 ℃恒温水浴搅拌1 h，然后加入2 g的莜麦秸秆纤维素，在室温下继续搅拌1 h，得到混合溶液。然后将混合液以微滴的形式注入2 mol/L的NaOH溶液，并调节pH值，再加入0.4 g的EGDE，在70 ℃恒温水浴下缓慢搅拌6 h后，将复配物用去离子水洗至pH接近中性，过滤得到改性壳聚糖/莜麦秸秆纤维素吸附剂(CTS-NOSC)。

2 Cu2+离子吸附实验

2.1 pH值对吸附剂吸附Cu2+离子的影响

为研究pH值对吸附的影响，配制初始浓度100 mg/L的铜离子溶液。使用0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L 的NaOH调节pH值2.0至8.0的的不同溶液。分别称取0.1 g CTS-NOSC吸附剂置于锥形瓶中加入50 mL不同pH值的铜离子溶液，搅拌吸附1 h。吸附结束后过滤，通过原子吸收光谱仪测定滤液中的金属离子浓度。吸附量的计算公式(1)为：

Q=(C0-C)V/W

(1)

式中：Q为单位吸附量(mg/g)，C0为吸附前溶液中Cu2+的初始浓度(mg/L)，C为吸附后溶液中Cu2+的浓度(mg/L)，W为吸附剂的用量(g)。

2.2 吸附平衡试验

使用0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L 的NaOH配制pH值为6，初始铜离子浓度为5、10、20、40、60、80和100 mg/L的溶液。称取0.1 g CTS-NOSC吸附剂置于锥形瓶中加入50 mL不同初始铜离子浓度的溶液，搅拌1 h。吸附结束后过滤，通过原子吸收光谱仪测定滤液中的金属离子浓度。吸附量由公式(1) 计算。

3 结果与讨论

3.1 pH值对Cu2+离子吸附的影响

图1 pH值对Cu2+吸附的影响

改性壳聚糖/莜麦秸秆纤维素吸附剂在不同pH值范围内对铜离子的吸附量如图1所示，在pH值为2～5的范围内吸附剂对Cu2+离子的吸附量逐渐增加，当pH值大于5时，吸附量逐渐减少。当pH值较低值时，大多NH2基与H+质子反应不利于Cu2+离子到吸附剂界面因此pH值低时吸附量较低。当pH值增加到5时，吸附剂表面的吸附点位NH2逐渐暴露，有利于对Cu2+离子的吸附反应。因此，pH值5时吸附量也逐渐增加。

3.2 铜离子初始浓度对吸附的影响

图2 不同Cu2+浓度条件下吸附剂对Cu2+吸附的影响

在不同的铜离子初始浓度条件下，改性壳聚糖/莜麦秸秆纤维素吸附剂对Cu2+离子吸附量的关系由图2所示。由图可知，随着铜离子初始浓度的增加，吸附剂对Cu2+离子的吸附量也逐渐增加。铜离子初始浓度较低范围时，吸附剂对Cu2+离子的吸附量增加较快，这是由于吸附剂上有足够多的吸附点位，易于铜离子的吸附。随着溶液中铜离子浓度的增加，吸附剂表面的吸附点位多被占据，对铜离子的吸附减缓，限制了吸附量的增加。