稻秸秆纤维对Cu(Ⅱ)的吸附性能

刘玉森， 陈 莉， 王 驰

(1. 西安工程大学 应用技术学院， 陕西 西安 710048； 2. 西安工程大学 纺织与材料学院， 陕西 西安 710048)

稻秸秆纤维对Cu(Ⅱ)的吸附性能

刘玉森1， 陈 莉2， 王 驰2

(1. 西安工程大学 应用技术学院， 陕西 西安 710048； 2. 西安工程大学 纺织与材料学院， 陕西 西安 710048)

为研究稻秸秆纤维对Cu2+的吸附性能，测试了Cu2+初始质量浓度、处理时间、处理温度、固液比和pH值等因素对稻秸秆纤维吸附效果的影响，并对吸附前后的稻秸秆红外光谱进行了分析比较。实验结果表明：稻秸秆纤维对铜离子的吸附以物理吸附为主，也存在少量化学吸附；稻秸秆纤维对Cu2+具有快速、良好的吸附性能，尤其是对低质量浓度的Cu2+溶液吸附效果较好；溶液的初始pH值对稻秸秆纤维吸附作用影响较大，环境温度对稻秸秆纤维吸附作用影响较小；当固液比值为7.5 mg/L、溶液初始pH值为5时，稻秸秆对Cu2+的吸附性能达到最佳。

稻秸秆纤维； 铜离子； 吸附性能； 红外光谱

近年来，钢铁、电镀、制革和有色金属冶炼等行业排出的重金属废水已成为水体、土壤等的重要污染源之一，其对环境和人类健康造成极大的危害[1-2]。因此，工厂排放废液中金属离子的有效治理和回收，将会产生极大的社会效益。在处理溶液金属离子的多种方法中，吸附法是一种较为高效、经济的处理方法[3]。稻秸秆纤维是从农业废弃物——水稻秸秆中提取而制得的一种新型纤维素纤维[4]，提取工艺简单[5]，原材料属于农业废弃物，成本低廉。关于稻秸秆纤维的表面形态结构、化学组成、吸湿性能、物理机械性能和纺纱性能已经有了初步的研究，前期研究发现，纤维粗硬，纺纱性能较差，但纤维表面粗糙，纵向沟槽较多，表面积大，吸湿能力较强[6]。稻秸秆纤维的主要成分为纤维素、半纤维素等[7]，大分子上含有大量羟基等活性基团，有利于纤维对金属离子的吸附。目前，有关稻秸秆纤维吸附金属离子的研究尚未见报道。本文以铜离子为例，研究了稻秸秆纤维对金属离子的吸附性能，为稻秸秆纤维在吸附金属离子方面的应用提供参考，以期进一步开发出可重复利用的功能性稻秸秆纤维制品，实现农业废弃物的高值利用。

1 实验部分

1.1 材 料

稻秸秆纤维(产地为陕西省户县)，通过化学脱胶方法提取，残胶率为9.02%，结晶度为61.5%。

1.2 仪器和试剂

722型可见光分光光度计；FT-IR5700型傅里叶红外光谱仪；A3003B 型精密电子天平；YLE-1000型电热恒温水浴锅；五水硫酸铜(分析纯)。

1.3 测试方法

1.3.1 吸附标准曲线绘制

称取3.946 g的五水硫酸铜，配制出Cu2+质量浓度为1 mg/mL的硫酸铜标准溶液[7]，分别取0.5、1、2、3、5 mL的标准溶液稀释、定容至1 000 mL，得到质量浓度分别为0.5、1、2、3、5 mg/L的硫酸铜溶液。利用可见光分光光度计，在最大吸收波长处分别测定吸光度，绘制标准曲线[8]。

1.3.2 吸附性能测试

将一定量的稻秸秆纤维投入到一定质量浓度的硫酸铜溶液中，在一定温度、pH值及溶液初始质量浓度等条件下吸附一段时间，分别测试吸附前后溶液的吸光度，根据标准曲线计算吸附前后的溶液质量浓度，按照式(1)、(2)分别计算稻秸秆纤维对Cu2+的吸附量和吸附率[7]。

(1)

式中：γ为吸附量，mg/g；C0为溶液初始 Cu2+质量浓度，mg/L；Ct为吸附后溶液Cu2+质量浓度，mg/L；W为秸秆纤维投入量,g；V为吸附溶液的体积，L。

(2)

式中：β为纤维的吸附率，%；Ci为初始溶液Cu2+质量浓度，mg/L；Ct为吸附后溶液Cu2+质量浓度，mg/L。

1.3.3 结构分析

取吸附前后的稻秸秆纤维，采用粉末法，以KBr为基片[9]，用FT-IR5700型傅里红外光谱仪对样品进行扫描。

2 结果与讨论

2.1 Cu2+标准曲线分析

用可见光分光光度计测出硫酸铜溶液的最大吸收波长为456 nm，在该处绘制出Cu2+的标准曲线，如图1所示。将曲线进行线性拟合[10]，拟合方程为Y=0.005 33+0.063 39X，式中Y为吸光度，X为质量浓度，R2=0.998 04。

2.2 时间对吸附性能的影响

配制200 mL、质量浓度为10 mg/L的硫酸铜溶液，放入1 g稻秸秆纤维。室温下，分别浸泡吸附5、10、15、20、25、30、60 min，实验结果如图2、3所示。

由图2、3可看出，当吸附时间小于25 min，吸附量和吸附率均呈快速增加趋势，当吸附时间在30 min左右时，基本达到吸附平衡，再继续延长吸附时间，吸附量和吸附率增加不明显。这是由于在吸附初始阶段，Cu2+质量浓度大，纤维表面吸附点数量多，表现为吸附速度快的特点，当吸附剂表面被离子覆盖后，吸附反应便逐渐饱和，吸附量和吸附率增加不明显。因此，稻秸秆纤维对Cu2+的吸附是一个快速吸附反应，吸附时间以不超过30 min为宜。

2.3 Cu2+质量浓度对吸附性能的影响

配制200 mL质量浓度分别为5、10、20、30、40 mg/L的硫酸铜溶液，各放入1 g稻秸秆纤维，室温下浸泡吸附8 h，实验结果如图4、5所示。

由图4、5可看出，随溶液Cu2+质量浓度的不断增大，稻秸秆纤维的吸附量呈线性增大趋势，当Cu2+质量浓度达到30 mg/L后，纤维对Cu2+吸附量逐渐趋于饱和，基本达到稻秸秆纤维的平衡吸附量，再提高溶液初始质量浓度对纤维的平衡吸附量的改变较小。同时，随溶液质量浓度的不断增大，纤维的吸附率不断下降。原因是随着初始质量浓度的增大，纤维表面吸附点与Cu2+的接触几率增大，吸附速率加快，即吸附量有所增大，同时这一现象又使得稻秸秆纤维的吸附能力很快趋于饱和，稻秸秆纤维表面的吸附点位相对不足，使Cu2+相对于稻秸秆纤维出现了过剩, 导致离子吸附率降低。说明稻秸秆纤维对过高浓度的Cu2+的吸附能力是有限的，对低浓度的Cu2+溶液吸附效果更好。

2.4 温度对吸附性能的影响

配制200 mL，质量浓度均为10 mg/L的硫酸铜溶液5组，分别在20、25、30、35、40 ℃的水浴中放置至恒温，分别加入1 g稻秸秆纤维，浸泡吸附30 min，实验结果如图6、7所示。

由图6、7可看出，30 ℃之前，随温度的升高，稻秸秆纤维对Cu2+的吸附量和吸附率均有所增加，30 ℃之后温度升高对吸附量的影响不明显。原因可能是初始阶段随温度的升高增大了纤维的湿润膨胀，另一方面离子运动加剧，降低了吸附所需的活化能，有利于Cu2+向纤维深处扩散，从而提高了吸附率，并且迅速达到了吸附平衡，再升高温度，对溶液中吸附作用的提升不大。因此，在一定温度范围内，环境温度对稻秸秆纤维吸附Cu2+的能力影响不十分明显，室温下进行吸附即可。

2.5 固液比对吸附性能的影响

配制6组200 mL、质量浓度均为10 mg/L的硫酸铜溶液，分别放入0.5、1、1.5、2、2.5、3 g稻秸秆纤维，室温下，浸泡吸附30 min，实验结果如图8、9所示。

由图8、9可看出，随固液比的增大，稻秸秆纤维对Cu2+的吸附量呈减小趋势，吸附率逐渐增大。原因是稻秸秆吸附Cu2+的过程是一个快速反应的过程，随纤维放入量增多，吸附点位数量和纤维吸附表面积增大，吸附速率提高，使溶液中Cu2+的质量浓度迅速降低到较低值，纤维表面的吸附位置不能达到饱和，单位质量的稻秸秆纤维对Cu2+的吸附量相对降低，纤维不能充分发挥吸附作用，当固液比增大到12.5 mg/L时，吸附率已达到87.7%，继续增加纤维放入量，吸附率增加不明显。由此，对于一定质量浓度的Cu2+溶液，纤维的投加量并不是越多越好，根据吸附曲线，本文研究的最佳固液比为7.5 mg/L。

2.6 pH值对吸附性能的影响

配制7组200 mL、质量浓度均为10 mg/L、pH值分别为1、2、3、4、5、7、11的硫酸铜溶液，分别入1 g稻秸秆纤维，室温下，浸泡吸附30 min，实验结果如图10、11所示。

由图10、11可看出，随pH值的增大，稻秸秆纤维对Cu2+的吸附量和吸附率相应增大，当pH值到5之后吸附量基本达到最大。原因可能是由于溶液pH值较小时，H+浓度高、活性较大，减小了溶液中Cu2+在阳离子中的占比，H+与Cu2+存在竞争稻秸秆纤维表面的吸附点位[11]，不利于纤维对Cu2+的吸附；随pH值升高，H+活性和浓度减小，竞争力下降，从而纤维对Cu2+的吸附量增大。当溶液pH值大于6以后，由于溶液中的OH-浓度增大，铜元素主要以Cu(OH)2沉淀的形式析出，而不是以Cu2+的形式存在，吸附过程受到影响。所以，当溶液初始pH值为5时，吸附效果最好。

2.7 吸附Cu2+前后稻秸秆纤维结构分析

3 结 论

1)稻秸秆纤维对Cu2+具有良好的吸附能力，有望成为一种新型可再生吸附材料，实现农业废弃物的高效利用。

2)稻秸秆纤维对Cu2+的吸附是一个快速吸附反应，尤其对低质量浓度的Cu2+溶液吸附效果较好；溶液的初始pH值对纤维吸附作用影响较大，溶液初始pH值为5时吸附效果最好；对于一定质量浓度的Cu2+溶液，纤维的投加量并不是越多越好，本文的最佳固液比值为7.5 mg/L；在一定温度范围内，环境温度对稻秸秆纤维吸附Cu2+的能力影响不明显。

3)吸附Cu2+后稻秸秆纤维化学结构没有明显改变, 说明稻秸秆纤维对Cu2+的吸附以物理吸附为主；但—OH弯曲振动吸收峰向低频方向移动，说明纤维素大分子上存在的大量羟基与Cu2+形成了离子交换,吸附过程发生了少量化学吸附。

FZXB

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Adsorption property of rice straw fiber to copper ions

LIU Yusen, CHEN Li, WANG Chi

(1. School of Applied Technology, Xi′an Polytechnic University, Xi′an, Shaanxi 710048, China; 2. School of Textiles & Materials, Xi′an Polytechnic University, Xi′an, Shaanxi 710048, China)

In order to study the adsorption properties of rice straw fiber to Cu2+, the influence of initial Cu2+concentration, time, temperature, ratio of solid to liquid and pH value on adsorption were discussed. The infrared spectroscopy before and after adsorption were analyzed and compared. The results show that the adsorption of Cu2+by rice straw fiber mainly is a physical adsorption. At the same time, a very small amount of chemical adsorption exists in the adsorption process. Rice straw fiber, for Cu2+, has fast and good adsorption properties, and has better adsorption effect especially for Cu2+of low concentration; the influence of the initial pH value on the adsorption properties of rice straw fiber is large, ambient temperature has less effect on the adsorption properties of rice straw fibers; and when the solid-liquid ratio of 7.5 mg/L, the initial pH value is 5, and the adsorption properties of rice straw to Cu2+reach the best.

rice-straw fiber; copperions; adsorption property; infrared spectroscopy

10.13475/j.fzxb.20150403105

2015-04-17

2016-01-31

陕西省教育厅自然科学专项项目(12JK0565)

刘玉森(1974—)，男，高级工程师。主要研究方向为新型纺织加工技术。E-mail：fzlys@xpu.edu.cn。

TS 102.2

A