磁性胺化木质素对铜锌镉的吸附研究

庞娅 李玲 易佳欣

摘要：本研究是通过将世界上第二最丰富的有机物木质素材料进行一系列改性后来治理废水中Cu Zn Cd離子。利用Mannich反应对木质素进行胺化改性，将活泼胺基引入到木质素中；后将胺化过后的木质素通过嫁接磁性多孔材料Fe3O4，将胺化木质素附着在Fe3O4表面。利用SEM、XRD和Zeta等手段表征了材料的形貌结构和化学特性，系统研究了磁性胺化木质素吸附废水中Cu Zn Cd离子的性能。对吸附性能如最佳pH、温度、吸附时间和初始浓度以及优先吸附等行为进行了实验。

水体重金属污染修复是水污染治理的重要方面。采用吸附的方法处理水体重金属污染是一种可行的方法。高效、低成本、绿色的吸附剂的发展具有重要意义[1]。木质素广泛存在，且成本低廉。以其为原料制备吸附剂处理重金属具有理论和实践意义。

实验方法

以碱木质素为原料，用Mannich反应来合成胺化木质素[2]. 具体步骤为： 将3.8mL甲醛加入到超声过后的碱性木质素中，搅拌后并立马加入8.4mL的TEPA（四乙烯五胺）。将三种混合液加入到装有搅拌装置的氨氮烧瓶中，水浴加热至75℃后，恒温回流3 h，在反应后的混合物中加2mL盐酸，再加10g赤血盐产生沉淀，经抽滤烘干即得中间产物胺化木质素。将烘干后的木质素胺充分研磨，用蒸馏水溶解，放置于超声波中超声10min，让其充分分散在水中。后称取10.8 g FeCL3于烧杯，加入50mL蒸馏水溶解。先将溶解过后的氯化铁溶液与木质素胺溶液在数显搅拌装置下充分混合10min后，加入5.56 g用50 mL蒸馏水溶解的硫酸亚铁。边搅拌边倒入4mol/L的氨水，直至溶液pH为9？—11时，停止加入氨水。搅拌30 min后，加入蒸馏水至大烧杯，洗涤生成的磁性胺化木质素，至溶液呈中性；然后烘干后研磨放入干燥皿中备用。

配置1000 mg/L的Cu Zn Cd母液。每次的吸附实验在恒温的水浴摇床上进行的，其转速为180 rpm。每次处理时都是分别在含50 mL的10 mg/L Cu Zn Cd的溶液中加入0.05g的磁性胺化木质素，吸附完成后，在外部磁场的作用下，分离吸附质与吸附剂，然后取上清液进行测定。该实验对磁性胺化木质素在不同pH、不同吸附时间、不同的温度、不同初始浓度、竞争吸附等条件下对Cu Zn Cd的吸附做了研究。Cu Zn Cd浓度的测定都是使用原子吸收分光光度计下测定。标准曲线的线性相关系数R2≥0.999，Cu Zn 标准曲线的浓度设置为（0、0.1、0.5、1、2、5）mg/L。Cd标准曲线的浓度设置为（0、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4）mg/L。

实验结果

pH和吸附时间的影响

重金属 Cu Zn Cd在不同pH下的吸附率不同，且所配的10 mg/L的重金属溶液的pH分别为5、6、6。如图1所示，这三种重金属的吸附率都随着pH的升高而上升。在pH=2时Cu的吸附率基本上为0，Cd和Zn的吸附率也很低，而在pH=7时，三种重金属的吸附率都在80%之上。但是重金属溶液在pH过高时会产生沉淀严重影响材料的吸附作用。

如图2所示，重金属 Cu Zn Cd随着时间推移而吸附率增加，基本上到30min就趋于饱和状态了，之后吸附率没有多大的变化。所以胺化磁性木质素吸附重金属Cu Zn Cd的最佳吸附时间为30min。既保证了最佳吸附率，又节约了吸附时间。

此外，研究15℃，25℃和35℃对吸附的影响，总的趋势是随着温度的升高，吸附效率增加。而由于吸附位点有限，增加重金属的初始浓度，吸附效率降低。

竞争性吸附分析

如表1所示，在Cu Zn Cd三种重金属混合溶液中吸附率Cu>Zn>Cd；在Cu Cd两种重金属的混合溶液中吸附率Cu>Cd；在Zn Cd两种重金属的混合溶液中吸附率Zn>Cd；在Cu Zn两种重金属的混合溶液中吸附率Cu>Zn。从而可知对于这三种重金属，吸附剂胺化磁性木质素优先吸附顺序为Cu>Zn>Cd。

参考文献：

[1] 庞娅. 磁性纳米复合材料的制备及其去除水体污染物的研究[D]湖南大学，2012.

[2] 岳萱，乔卫红等.曼尼希反应与木质素的改性.精细化工.2001.18（11）：670-673.

本研究得到了长沙市科技计划项目（ZD1601018）和2017，2018年度湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目的支持。