以甘蔗渣为原料的高吸水树脂对Cr6+吸附性能的研究

吴海霞 李继萍 付渊 王晓莉

摘要：为了探讨以甘蔗渣为原料的高吸水树脂对Cr6+吸附作用的影响因素及机理，研究了高吸水树脂对Cr6+的动、静态吸附性能，不同吸附时间、树脂用量、离子浓度对树脂吸附Cr6+的影响，并由扫描电镜、透射线电镜验证了Cr6+在树脂上的吸附。研究表明：延长吸附时间有利于提高树脂的吸附效果;动态法吸附速率明显高于静态法;树脂吸附Cr6+的量随着溶液中Cr6+浓度的增加而增加;随着高吸水树脂用量的增加，对Cr6+的吸附量也增加;透射电镜和扫描电镜结果表明树脂对Cr6+发生了吸附，吸附是通过表面吸附、网络结构内部的束缚作用和官能团的络合作用方式实现的。

关键词：甘蔗渣 高吸水树脂 Cr6+ 吸附性能

0 引言

近年来，随着我国工业的迅速发展，在铬盐与铁合金等行业中都需要有大量的含铬矿物，并会产生许多含铬废水，这些废水中的铬元素多是以毒性较大的Cr6+存在的，对自然环境与人体健康都会造成极大的危害。目前，对含铬废水的处理工艺集中为化学沉淀法、膜分离法、电渗析法、溶剂萃取法、电解法、吸附法[1]等多类方法。其中吸附法具有经济性好、操作简单的优势，在含铬废水处理工艺中正得到了广泛的应用。1973年，Swanson等[2]首次合成可溶性淀粉黄原酸酯并把其用于水中重金属离子的吸附，該法具有沉降速度快，易分离，无需进行预处理，适用pH值范围广等特点。但目前工业所用吸附剂价格较高，加上吸附剂再生与二次污染等，导致吸附法的应用难以推广。因此，研究开发廉价高效的吸附剂具有重要意义。

我国是主要甘蔗种植国，每年甘蔗产量超过7×107t，甘蔗废渣产量超过7×107t 从制糖厂排出，占据大量土地，也造成了环境污染。2017年，王锐刚等[3]首次报道了采用甘蔗渣吸附法去除水中的铬离子，考查了pH、甘蔗渣用量、粒径、铬初始浓度等对铬去除的影响及甘蔗渣去除铬的动力学，为甘蔗渣用于含铬废水处理提供了依据。由于甘蔗渣纤维素分子内和分子间存在氢键，所以它不溶于热水也不溶于冷水，使其应用受到局限。

高吸水树脂对重金属离子的吸附、螯合能力都很强，可以很方便的用于处理污水中重金属离子，并且高吸水树脂可以再生、反复使用，所以高吸水树脂对于冶金、工矿污水、电镀废水等的处理具有重要的应用价值[4]。本文主要研究以甘蔗渣为原料合成的高吸水树脂对Cr6+的吸附能力及其影响因素，以期为高吸水树脂应用于废水中重金属离子的去除提供参考。

1 实验部分

1.1主要原料与试剂

甘蔗渣（自制）;丙烯酸（分析纯）;氢氧化钠（分析纯）;过硫酸钾（分析纯）;亚硫酸氢钠（分析纯）;N′N′-亚甲基双丙烯酰胺（分析纯）。

1.2主要仪器设备

电子分析天平;鼓风干燥箱;HITACHI S-3400N 扫描电子显微镜;FEI tecmai F20场发射透射电子显微镜;AA7000原子吸收光谱仪。

1.3以甘蔗渣为原料的高吸水树脂的合成[5-6]

以甘蔗渣为主要原料、水为溶剂进行醚化改性;在装有电动搅拌的100ml三口烧瓶中加入一定量的醚化改性甘蔗渣，加去离子水，搅拌混合均匀;加入丙烯酸、过硫酸钾、N，N'-亚甲基双丙烯酰胺，室温下搅拌混合均匀;氮气保护下水浴逐渐升温加热，使醚化改性甘蔗渣与丙烯酸反应至溶液粘稠，停止搅拌;继续升温，反应物在沸水浴中保温约2h;将产物取出剪成小块置于表面皿中于60℃烘箱中烘干得固体产品;将其粉粹后即得高吸水树脂。

1.4高吸水树脂吸附重金属离子Cr6+的测试方法

配制一定体积、一定离子浓度的Cr6+离子溶液，原子吸收光谱仪标定其离子浓度;然后，称取一定量的高吸水树脂置于上述溶液中，一定时间后过滤吸附后的高吸水树脂，测定剩余液体体积;原子吸收光谱仪测定吸附后液体的Cr6+离子浓度，通过下式计算高吸水树脂对重金属离子的吸附量：

式中：Q—高吸水树脂对重金属离子的吸附量，mg/g;C0—初始溶液中重金属离子的浓度，mg /L;Ce—吸附后溶液中重金属离子的浓度，mg /L;V—含有重金属离子溶液的体积，ml;m—吸附前高吸水树脂的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 吸附时间对Cr6+吸附量的影响

称取一定量高吸水树脂置于浓度为5mg/L的Cr6+溶液中，在静态条件下测定不同吸附时间下高吸水树脂对Cr6+的吸附量，结果如图1。

高吸水树脂在静态条件下对Cr6+的吸附量结果如图所示。由图可知，随着吸附时间的延长，吸附量呈上升趋势，延长吸附时间有利于提高吸附效果。

2.2 动静态条件对Cr6+吸附量的影响

称取一定量高吸水树脂置于浓度为5mg/L的Cr6+溶液中，分别采用静态法、动态法测定高吸水树脂对Cr6+的吸附量，结果如图1，图2所示。

对比图1和2可知，动态法对Cr6+的吸附量及吸附速率明显高于静态法。这是因为在搅拌条件下，树脂颗粒易与Cr6+溶液接触，Cr6+溶液与树脂网络内部的基团也容易发生反应，同时Cr6+溶液与树脂表面接触的物理吸附速度也会相应加快，所以采用动态法吸附可以缩短吸附时间。

2.3 初始浓度对Cr6+吸附量的影响

称取一定量高吸水树脂分别置于浓度为3mg/L、5mg/L、8mg/L、10mg/L、15mg/L的Cr6+溶液中，搅拌30min，测量高吸水树脂对不同浓度Cr6+溶液的吸附量，结果如图3所示。

由图3可知，吸附量随着Cr6+溶液浓度的升高而升高。这可能是因为溶液中离子浓度越高，树脂表面接触到的离子数目越多，由于氢键作用，使得表面吸附量增加。

2.4树脂用量对Cr6+吸附量的影响

分别称取质量为0.01g、0.02g、0.03g、0.04g、0.05g的高吸水树脂置于5mg/L的Cr6+溶液中，搅拌30min，测量不同用量的高吸水树脂对Cr6+溶液的吸附量，结果如图4所示。

由图4可知，随着高吸水树脂用量的增加，高吸水树脂对Cr6+的吸附量也增加。根据质量作用定律，初始质量大的高吸水树脂，对Cr6+的吸附量也高。

2.5扫描电镜表征

选取高吸水树脂和吸附Cr6+后的树脂进行扫描电镜分析，得到下图5（a）、（b），图6。

图5（a）、（b）分别是高吸水树脂吸附Cr6+前、后的扫描电镜图。对比二者可以发现吸附Cr6+的树脂表面上明显有了新物质，且嵌入到树脂网络结构内部。结合图6的扫描电镜能谱对Cr有吸收峰，证明高吸水树脂对Cr6+的吸附并有较好的吸附容量，这可能是由于Cr6+与树脂表面的羧基和羟基等基团发生了络合或螯合作用。

2.6透射电镜表征

选取高吸水树脂和吸附Cr6+后的树脂进行透射电镜分析，得到下图7（a）、（b）。

图7（a）、（b）分别是高吸水树脂吸附Cr6+前、后的透射电镜图。对比二者可以发现合成的高吸水树脂有类似蜂窝状的形状，这是由高吸水树脂表面多孔经透射后呈现出来的，这也说明合成的高吸水树脂表面经接枝聚合和交联后形成了复杂的三维多孔的网络结构。吸附Cr6+的树脂表面可以看到有许多孔状结构，而且出现了明显的晶格条纹，这说明高吸水树脂对Cr6+有吸附。

3 结论

通过以醚化改性甘蔗渣为原料的高吸水树脂对重金属离子Cr6+吸附性能研究，结果表明：随着吸附时间的延长，树脂吸附量呈上升趋势，延长吸附时间有利于提高树脂的吸附效果;通过对高吸水树脂吸附Cr6+的动静态法分析，发现动态法吸附所需时间短，吸附量高;树脂吸附Cr6+的量随着溶液中Cr6+浓度的增加而增加;通过对不同用量的高吸水树脂对Cr6+溶液的吸附量得出树脂吸附量随着树脂用量的增加而增加;扫面电镜和透射电镜表征表明，树脂对Cr6+发生了吸附，吸附是通过表面吸附、网络结构内部的束缚作用和官能团的络合作用方式实现的。

参考文献

[1]贾明畅，王海超.含Cr6+废水处理技术研究进展 [J].中国高新技术企业，2016，34（56）： 114-115.

[2]Swanson C L.，Wing R E.，Doane W M.Removal of heavy metal ions from wastewater[P].US3947354，1976.

[3]王锐刚，陈航锋.甘蔗渣吸附废水中的铬离子的研究[J].水处理技术，2017，43 （11）： 77-79.

[4]Yasemin Buluta，Gulten Akcay，Duygu Elma，etc. Synthesis of clay-based superabsorbent composite and its sorption capability. Journal of Hazardous Materials，2009（171），717-723

[5]以甘蔗渣为原料制备羧甲基纤维素的方法[P].温国华，李茹，李继萍，柳青，陈超，郭玉婷，王佳钰，苗秀秀，付渊，蔺剑波，赵红霞.中国专利：CN104163895A，2014-11-26

[6]以羧甲基甘蔗渣制备高吸水樹脂的方法[P].温国华，郭玉婷，杨永启，冯凯，刘广华，韩宗壮，王晨雪，胡振华，巴音其木格，王丹，孙萌.中国专利：CN104163895A，2014-11-26

基金项目：内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目（项目编号：NJZY18279）。

作者简介：吴海霞（1978-），女，汉族，山西朔州人，副教授，主要研究方向为有机合成，分析化学

李继萍 付渊 王晓莉 主要研究方向为有机合成，分析化学