改性丝瓜络对亚甲基蓝染料的吸附性能

张 剑, 王 迎

( 大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

丝瓜生长在中国、日本和南美洲的其他国家[1]。丝瓜络是由丝瓜成熟果实中厚厚的皮和多方向的三维纤维管束组成,具有独特的多孔性物理结构和优良的机械强度[2]。丝瓜络本身的物理特征决定其可以成为理想的吸附剂去除污水中的染料或金属离子[3],如毛金浩等[4]的研究指出化学改性后的丝瓜络对Fe3+、Zn2+的饱和吸附量分别达到27.4和36.6 mg/g。

本文采用天然丝瓜络纤维代替活性炭吸附剂去除废液中的亚甲基蓝染料。利用等离子体处理改性丝瓜络纤维,并详细讨论了等离子体处理参数(即处理时间、电源功率和电极间距离)对丝瓜络吸附亚甲基蓝染料性能的影响。

1 实 验

1.1 原 料

丝瓜络粉末,华辉日常用品股份有限公司。将丝瓜络粉末清洗之后放在80 ℃的烘箱中干燥4 h。亚甲基蓝(99.9%),天津石英钟化学公司。

1.2 仪 器

CTP-2000K/P低温等离子体实验电源,南京苏曼电子有限公司；722s可见光光度计,上海菁华集团有限公司；THZ-82数显恒温振荡器,金坛市国旺实验仪器厂；JEOL JSM-6460LV SEM扫描电子显微镜,日本电子株式会社。

1.3 等离子体处理

称取100 mg干燥丝瓜络粉末,在常温常压下,将丝瓜络粉末放在等离子体石英反应器上进行处理。放电条件:电极间距离为6 、7、8、9、10、11、12、13 mm,处理时间为5、10、15、20、25 s,电源功率为80、90、100、110、120、130、140、150 W。

1.4 亚甲基蓝溶液的吸光度与质量浓度的标准曲线绘制

分别配置质量浓度为0.001、0.003、0.005、0.007、0.009 g/L的亚甲基蓝溶液,使用722s可见光分光光度计测出其吸光度。结果表明染液在660 nm处出现最大吸光度。图1表示亚甲基蓝溶液的质量浓度与吸光度关系曲线,经回归分析,该曲线为y=150.45x+0.077。

图1 亚甲基蓝溶液吸光度与质量浓度标准曲线

Fig.1 A standard curve between the MB absorbency and the MB concentrations

1.5 染料的吸附

吸附实验:配置2 000 mL质量浓度为0.1 g/L的亚甲基蓝溶液作为模拟染料废液。分别取100 mL的模拟废液加入锥形瓶中,再分别称取不同条件等离子体处理的丝瓜络粉末80 mg加入锥形瓶中,并将样品放到数显恒温振荡器上振荡2 h,静止30 min,稀释10倍后,使用722s可见分光光度计测出平衡质量浓度溶液样品的吸光度。通过已绘出的亚甲基蓝溶液吸光度与质量浓度标准曲线,计算出此时样品的亚甲基蓝染料的质量浓度。再依据公式(1)计算出丝瓜络粉末对亚甲基蓝染料的吸附能力Qe(mg/g)。

Qe=(ρ0-ρe)V/m

(1)

式中,ρ0为初始样品亚甲基蓝溶液的质量浓度(g/L)；ρe为平衡浓度样品的亚甲基蓝溶液质量浓度(g/L);V为水溶液的体积(L);m为丝瓜络粉末的质量(g)。

2 结果与讨论

2.1 SEM分析

图2为丝瓜络纤维的横截面,图中呈现出丝瓜络纤维独特的多孔性物理结构。图3为丝瓜络纤维等离子体处理前后表面形貌,从图中可以清晰地看出,经过等离子体改性后,丝瓜络纤维表面出现明显的沟槽,比表面积增大。这些特征能够促使丝瓜络纤维吸附更多染料,增加丝瓜络纤维对亚甲基蓝的吸附能力。

图2 丝瓜络纤维横截面SEM图

图3 丝瓜络纤维等离子体改性前后SEM图

Fig.3 SEM images of untreated (a) and plasma treated (b) luffa fibers

2.2 放电条件与吸附量之间的关系

如图3可知,等离子体处理后,纤维的比表面积增加,对亚甲基蓝的吸附能力增强。但是,不同的等离子体处理条件,吸附量的改变程度也不一样,为了得出最佳处理工艺,通过公式(1)计算出等离子体改性后丝瓜络吸附亚甲基蓝染料的能力Qe。分别绘制出与等离子体电极间距离、处理时间及电源功率的相关曲线,如图4～6所示。

图4说明不同电极间距离处理的丝瓜络粉末吸附亚甲基蓝染料能力不同。不同放电距离导致刻蚀程度不同,染料吸附量也随之发生变化。从图4可以看出,最佳放电距离是8 mm。此时,等离子体能量分布在整个放电区域,呈辉光放电,能够均匀的处理纤维表面,使丝瓜络对亚甲基蓝染料吸附能力最高达53.8 mg/g。放电间隙小于此距离时,等离子体能量太强,容易灼伤纤维,导致染料吸附量减小。放电间隙大于此距离时,放电等离子体会逐渐脱离辉光放电,变成越来越稀疏的柱状放电。等离子体能源主要集中在少数几个通道上,每个通道的能量都非常大,刻蚀均匀性变差,不能增大比表面积。

图4 亚甲基蓝吸附量与电极间距离(110 W,10 s)的关系曲线

Fig.4 The curve of MB adsorption with electrode distance (110 W, 10 s)

图5说明亚甲基蓝吸附量与等离子体处理时间的关系。从图5中可以看出,最佳等离子体处理时间为10 s时,亚甲基蓝吸附量达到最高值52.5 mg/g。处理时间过短,表面处理效果较弱,吸附能力增加较小,吸附量增加不明显。处理时间过长,等离子体能量会损伤丝瓜络纤维表面,并且能量消耗大。

图5 亚甲基蓝吸附量与处理时间(110 W,8 mm)的关系

Fig.5 The curve of the MB adsorption with discharge time (110 W, 8 mm)

图6表示亚甲基蓝吸附量随着等离子体电源功率变化而变化。电源功率增加时亚甲基蓝吸附量快速增加,当电源功率达到110 W时亚甲基蓝吸附量最大为51.3 mg/g。电源功率增加等离子体能量增加,有效去除纤维素周围的木质素。但是,功率继续增大,对样品表面刻蚀严重,破坏纤维表面状态。当电源功率达到150 W时,丝瓜络样品已经被烧焦了。因此电源功率达到110 W时,达到最佳刻蚀效果,并不会造成能源的浪费。

图6 亚甲基蓝吸附量与电源功率(8 mm,10 s)的关系

Fig.6 The curve of MB adsorption with discharge power (8 mm, 10 s)

以上的实验结论表明,等离子体处理丝瓜络的最佳条件为110 W、8 mm和 10 s。与未处理的丝瓜络对亚甲基蓝吸附能力13.3 mg/g相比,经等离子体处理后的丝瓜络吸附能力高达53.8 mg/g,染料吸附量明显增加。

3 结 论

丝瓜络是一种非常有前途的天然吸附材料,具有多孔的三维物理结构。经等离子体改性后,其吸附能力明显增加,可以高效去除染液废水中的残留染料。实验结果表明,等离子体处理后纤维表面出现大量沟槽,纤维比表面积增大能够增加丝瓜络纤维对亚甲基蓝染料的吸附能力；等离子体最佳放电条件为:电极间距离8 mm,处理时间10 s,电源功率110 W；未经处理的丝瓜纤维亚甲基蓝的吸附量为 13.3 mg/g,改性后丝瓜络纤维的吸附能力为53.8 mg/g。

[1] 宋士清,刘桂智,刘薇,等. 丝瓜络的药用价值研究概述[J]. 中国农学通报, 2004, 20(2):12-16.

[2] TANOBE O A, SYDENSTICKER H D, MUNARO M, et al. A comprehensive characterization of chemically treated brazilian sponge-gourds (Luffa cylindrica)[J]. Polymer Texting, 2005, 24:474-482.

[3] GHALI L, MSAHLI S, ZIDI M, et al. Effect of pre-treatment of luffa fibres on the structural properties[J]. Materials Letters, 2009, 63:61-63.

[4] 毛金浩,刘引烽,杨红,等. 丝瓜络的化学改性及其对金属离子的吸附[J]. 水处理技术, 2008, 34(7):46-50.