酯化改性丝瓜络对亚甲基蓝废水的吸附性能研究

2022-06-22王泽华王香平郭嘉欣崔节虎

郑州航空工业管理学院学报 2022年3期

王泽华，张珂，李阳，王香平，孙玉，郭嘉欣，崔节虎

(郑州航空工业管理学院郑州市环境功能材料重点实验室，河南郑州 450015)

1 引言

中国作为世界上最大的纺织品生产和出口国，纺织印染行业每年废水排放量约达20亿吨，其中80%为染料废水[1]。染料废水中含有大量酸、碱、硝基、氨基和重金属等有毒有害物质，具有色度高、成分复杂、可生化性差等特性[2]，如未经处理或处理不达标排放会对人类健康及水体安全造成严重影响。因此，有效去除染料废水中的污染物，对节约水资源保护生态环境具有重要意义。现有的染料废水处理方法有吸附法、絮凝沉淀法、膜分离法、电化学法和生物处理法等[3]，其中吸附法因价格低廉、操作简单等特点被广泛应用于处理各类染料废水中[4]。

丝瓜络是一种具有三维网状空间结构的废弃性生物质材料，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成[5]，其纤维素含量达到60%以上，丰富的纤维素使其成为一种可再生降解的吸附材料，因此备受青睐。但未经处理的丝瓜络其吸附性能不佳，对此常采用酯化、醚化和氧化等手段对其进行改性，以引入新官能团的方式增加吸附位点，从而提高其吸附性能[6-7]。本文在微波辐射条件下，采用乙酸酐对丝瓜络进行酯化处理，提升改性后丝瓜络对亚甲基蓝(MB)废水的吸附效果，以期为染料废水的处理及新型有机物吸附材料的制备提供理论参考。

2 材料与方法

2.1 材料与仪器

仪器：PHS-25型酸度计、紫外可见分光光度计、电子天平、离心机、微波炉、粉碎机；

试剂：MB、NaOH、乙醇、乙酸酐(均为分析纯)；

材料：丝瓜络，购于郑州农贸市场，丝瓜络的化学组成如表1所示。

表1 丝瓜络化学组成[8]

2.2 改性丝瓜络的制备

2.2.1丝瓜络的预处理

丝瓜络经去离子水洗涤、烘干、粉碎后，过80目筛，然后在质量浓度为30%的NaOH/乙醇中浸泡24h，再在80℃恒温水浴中回流1h，用去离子水洗涤至中性后，在100℃下烘干备用。

2.2.2丝瓜络的酯化改性

取预处理后的丝瓜络于乙酸酐溶液中浸泡24h后，在功率为600W微波条件下以30s/min的频率间歇辐射10min，然后用去离子水洗涤至中性、烘干，制得改性丝瓜络。

2.3 吸附实验

移取一定体积浓度为5.00mg/L的MB溶液于碘量瓶中，加入一定量的改性丝瓜络，在一定pH条件下，放入恒温振荡器中振荡一定时间，取上清液于离心管中高速离心后，于665nm处测定溶液中MB浓度，并计算吸附量q和去除率η。

q= (C0-Ct)V/m

(1)

η= (C0-Ct)/C0×100%

(2)

式中：q为改性丝瓜络单位质量的吸附量(mg/g)；C0为MB溶液的初始浓度(mg/L)；Ct为t时刻MB浓度(mg/L)；V为溶液体积(L)；m为改性丝瓜络(g)。

3 结果与讨论

3.1 初始pH对吸附效果的影响

在浓度为5.00mg/L、体积为100ml、温度为25℃的条件下，分别向pH值为2、3、5、6、7、9、11的MB溶液中，投加0.3g/L改性丝瓜络，振荡120min后过滤，考察初始pH对吸附效率的影响，结果如图1所示。

图1 pH对MB去除率的影响

由图1可知，当溶液初始pH由2增加至6时，改性丝瓜络对MB的去除效率由84.3%增加至97.9%；当pH大于6时，改性丝瓜络对MB的去除效果基本保持在98.4%不变。这可能与酸性条件下改性丝瓜络表面的羧基被质子化[9]及溶液中H+与阳离子型染料MB产生竞争吸附位点有关。因MB原溶液的pH为6.5左右，处于最佳pH范围内，故后续吸附实验均在原始pH条件下进行。

3.2 改性丝瓜络投加量对吸附效果的影响

向100mL质量浓度为5.00mg/L的MB溶液中分别投入0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g和0.6g改性丝瓜络，在温度为25℃条件下振荡120min，考察材料投加量对水中MB去除效果的影响，结果如图2所示。

图2 投加量对MB去除率的影响

由图2可知，在投加量小于0.3g，即在较低吸附剂质量浓度(1g/L～3g/L)下，改性丝瓜络对MB的去除率随着投加量的增加而增大，这是因为随着改性丝瓜络投加量的增加，溶液中可提供吸附反应的活性位点会相应增加[10]，从而使得MB的去除率增加；当投加量进一步增加至3g/L时，MB的去除率变化不大，说明改性丝瓜络投加量在3g/L时已经达到吸附平衡。因此，选择改性丝瓜络的最佳投加量为3g/L。

3.3 温度对吸附效果的影响

在温度为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃条件下，分别向质量浓度为5.00mg/L的MB溶液中，投加3g/L的改性丝瓜络，振荡120min，考察温度对改性丝瓜络吸附性能的影响，结果如图3所示。

图3 温度对MB去除率的影响

由图3可知，温度对吸附效果的影响较小，总体趋势较为平缓。随着温度的增加，吸附效率略有降低，由此推断该吸附过程是一个放热反应。综合考虑后续实验仍在25℃条件下进行。

3.4 接触时间对吸附效果的影响

吸附材料对MB吸附速率的快慢，是评估一种新型吸附剂能否成功应用于实际废水处理的重要参数之一。在MB溶液质量浓度为5.00mg/L、温度为25℃、pH为6.5、材料投加量为3g/L的条件下，分别振荡30min、60min、90min、120min、150min、180min，考察不同时间长度及丝瓜络改性前后对MB去除率的影响，结果如图4所示。

图4 振荡时间对MB去除率的影响

由图4可知，在相同条件下，改性丝瓜络对MB吸附效果是未改性丝瓜络的1.3倍，说明酯化改性提升了丝瓜络对MB的去除效率；在90min内，改性丝瓜络及未改性丝瓜络对MB的去除效率均随吸附时间的增加而逐渐变大，且吸附速率相对较快，这可能是因为吸附初期吸附材料表面与溶液中的MB存在较大的浓度梯度，且吸附材料表面活性吸附位点较多，所以初始阶段吸附速率较快；90min～120min吸附效果增加缓慢，可能是因为随着吸附的进行，溶液中MB的浓度梯度越来较小，传质驱动力减弱，且MB逐步占据有限的结合区域，使吸附活性位减少[11]；120min时，吸附达到平衡，此时去除效率为98.7%，之后随着时间的增加，吸附效果基本保持不变，因此最佳吸附时间为120min。