改性纤维素吸附剂对重金属离子的吸收
改性纤维素吸附剂对重金属离子的吸收
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改性纤维素吸附剂对重金属离子的吸收
摘要:纤维素中含有许多亲水性的羟基基团,通过羟基的衍生化反应,可以将其制备成重金属离子的吸附剂。本文首先介绍了改性纤维素吸附剂制备的原料、步骤,接着阐述了改性纤维素吸附重金属离子的机理,最后探讨了影响改性纤维素吸附的一些因素。
关键词:纤维素;吸附;化学改性;重金属离子
随着近几十年工业化进程的发展,废水的排放量日益加剧,从而导致环境的严重破坏。废水中各种有害的物质经过水体富集到生物链中,最终进入人体,给人类带来严重的毒害影响。其中含有的重金属离子是对环境污染最严重和对人类健康危害最大的有害物质之一,因此,如何治理重金属废水已经受到各界的普遍重视。目前,用于去除污水中重金属离子的有效分离工艺有:沉淀、离子交换、电化学处理、膜技术、蒸发凝固、反渗透和电渗析等,但这些技术的应用有时受工艺和经济的限制,所以,寻找一种较为廉价的污水净化材料,降低污水处理的成本,提高净化效率已成为环境保护中亟待解决的问题。近几年来,人们开始研究用改性纤维素吸附剂吸附、分离和提取废水中的重金属离子,与一般的重金属处理方法相比,该方法具有吸附量大、吸附速度快、成本低、操作简单、不产生二次污染等优点。因此,对其的研究便成了该领域的热点。
1 改性纤维素吸附剂的制备
改性纤维素吸附剂就是利用物理、化学方法对富含纤维素的物质进行处理,使其成为具有良好吸附性的一类功能高分子材料。纤维素是地球上最丰富的天然高分子物质,其来源广泛,如棉花、麻、大豆壳、木屑、锯屑、谷壳、稻壳、秸秆、橘子皮、咖啡渣、茶渣、树皮、草等等,其主要成分就是纤维素,这些物质在我国大部分未得到利用而被废弃,既造成了极大的浪费,又污染了环境。如果将这些资源加以利用的话,就可以变废为宝,提高了该物质本身的经济效益,同时,对保护环境和资源的再利用大有裨益。
1.1 改性纤维素吸附剂制备的步骤:
以玉米芯为原料为例:
步骤一:将玉米杆用清水浸泡后清洗除去泥土和灰尘,再用蒸馏水洗涤,烘干至恒重。将处理好的橘子皮用粉碎机粉碎,过100目筛,储备。步骤二:用20%的异丙醇对粉碎的玉米芯进行浸泡,搅拌24小时,抽滤,用20%的异丙醇和水清洗至无色,抽滤后,将样品置于干燥箱中,在55℃烘干24小时。之后加入0.1mol/l的NaOH溶液,搅拌一个小时,室温下抽滤后,再加入蒸馏水搅拌45分钟,在室温下水洗多次至PH值=7,抽滤后,将样品放入55℃干燥箱中烘干24小时,备用。
步骤三:将备用的玉米芯浸入一定浓度的柠檬酸溶液中,在25℃下搅拌2小时,抽滤,在室温下水洗多次至PH=7,抽滤后,在55℃烘干箱中烘干24小时。即得异丙醇-NaOH-(不同浓度)柠檬酸处理的的改性纤维素吸附剂。
1.2 制备工艺注意事项
不论选用何种原料,步骤一、步骤二操作基本相同,步骤二要注意选择合适的有机试剂。通常选择异丙醇等来除去颗粒中的色素、某些极性物质等,然后经过碱皂化,进一步除去色素、半纤维等。第三步是制备的关键步骤:通常采取酸碱处理、无机盐活化、包埋离子液体、接枝共聚、酯化、醚化等方法,其主要目的就是使吸附剂表面去质子化,活化吸附位点,改善吸附性能。如以棉花为原料,以Ce4 盐为引发剂,将丙烯晴接枝到交联后的球形纤维素骨架上,获得球形羧基纤维素吸附剂,而且对Cr3 、Al3 、Cu2 、Zn2 吸附容量达到2811、1416、4912和3713mg/l。改性后的纤维素的吸附量比未修饰前提高了很多。其主要目的就是使吸附剂表面去质子化,活化吸附位点,改善吸附性能。再如以桔皮为原料,粉碎后过100目筛,经异丙醇、氢氧化钠处理烘干后,取其5g溶于0.6mol/l的草酸溶液35ml中,浸泡、搅拌2小时,得纤维素浆置于恒温箱中,在50℃下烘干一夜后,水洗至中性,抽滤后,继续在50℃干燥箱中烘干,即获得桔皮纤维素吸附剂。在PH值等于6时,其对Cd2 的最大吸附量是1.13mol/l,对Cd2 吸附率可以达到93.72%。
2 改性纤维素吸附剂对重金属离子的吸收
2.1 吸附重金属离子的机理
由于纤维素是一种纤维状、多毛细管的立体规整性高分子聚合物,具有多孔和比表面积大的特性,且分子内含有许多亲水性的羟基基团,因此具有一定的吸附性。但天然纤维的吸附金属离子的能力并不强,必须通过化学改性使其具有更多或更强的亲水基团,才能成为性能良好的吸附材料。纤维素中每个葡萄糖基上有三个可供反应的羟基,因此,它可以发生一系列与羟基有关的化学反应。通过对羟基改性反应在其分子中引入对阳离子具有吸附能力的羧基、磺酸基、磷酸基等阴离子基团,可制备阳离子吸附剂;另外,羟基通过交联处理或接枝化后,经胺化后可制成阴离子型吸附剂。羟基经过双功能基处理后,可制成两性离子吸附剂,可同时吸附阴性和阳性两种离子。如崔志敏等以甘蔗渣纤维素为原料,碱化处理后,与3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酸反应,得到两性纤维素。改性后的产品对Pb2 、Zn2 、Cu2 、Cr2O72-的交换吸附能力比活性炭平均提高了74倍,且产品再生容易,性能稳定。此外,纤维素也可以和螯合剂作用使其枝连上螯合基团,形成对贵重金属元素具有较强选择性的螯合纤维。综上各种情况,改性后的纤维素吸附机
理主要有:表面络合、离子交换、氧化还原、物理吸附等。这些机理可以单独起作用,也可以与其它机理结合起来起作用,这取决于吸附过程的条件和环境。
2.2 改性纤维素吸附的影响因素
改性纤维素对重金属离子的吸附性能不仅与其本身的结构和性质有关,还与吸附过程的条件和环境等因素有关。
生物吸附剂的预处理。生物吸附剂预处理的主要方法有酸、碱处理、热处理、碎裂、无机盐活化等,其主要目的是使吸附剂表面去质子化、活化吸附位点,改善吸附性能。实验研究证明,不经过NaOH溶液处理,直接用柠檬酸处理的玉米芯反而表现出低吸附性,这说明NaOH处理是非常重要的一步。
溶液的PH值。当溶液的PH值较低时,一方面H 将与目标离子发生竞争吸附,另一方面,吸附剂处于阳离子氛围中,使可参与吸附的活性吸附位点减少,从而使金属离子的吸附容量减少;PH值高于一定值时,一方面金属离子将与OH-生成沉淀,另一方面金属离子将处于被负离子包围的氛围中,不利于和吸附剂进行反应,因而存在最佳吸附PH值。
温度影响。温度对吸附过程有很重要的影响。随着溶液温度增加,溶液粘度降低,从而增加了溶质的分散速率。此外,温度的变化也可以改变吸附剂的平衡吸附量。不同的吸附剂、不同的吸附作用机制,温度对金属离子吸附量的影响有所不同。有研究表明,在不同温度下对Hg2 进行吸附试验,结果吸附去除率随温度的升高而增加。但在实际的废水处理中,由于升温会带来投资和运作等一些问题,因而通常不考虑此因素。
此外,还有吸附剂粒径,吸附时间,金属离子初始浓度等的影响。
以改性纤维素为吸附剂的吸附技术是一项正吸引着越来越多的学者关注的处理工业重金属离子污染废水的技术,它有着传统方法不可替代的优势,如价廉易得、生物相容性好、本身含有大量螯合基团等。相信随着各国科学家研究的深入,它必将替代传统的污水处理方法,在重金属离子的处理和回收中发挥越来越大的作用。
参考文献
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