小麦秸秆羧甲基纤维素对结晶紫染料废水的吸附研究

◎ 王 华，陶艳龙，张 琪，魏元春

（酒泉职业技术学院，甘肃 酒泉 735000）

我国力争在2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和，这样的时代大背景赋予了秸秆资源新的历史使命。秸秆综合利用是推进节能减排的一项重要手段，农业农村减排固碳是实现碳达峰、碳中和的重要举措。秸秆作为农作物收获后剩余的重要生物资源，若不能合理利用，将对我国环境治理乃至碳中和的推进造成阻碍。

印染废水来源及污染物成分十分复杂，具有水质变化大、有机物含量高、色度高等特点[1]，直接排放会对人类健康和生存环境带来极大危害，同时也会造成水资源的浪费。随着国家和社会对环境保护的日益重视和对可持续发展的要求，传统的秸秆处理方法已越来越难以满足生产和环保的需要[2]。结晶紫是三苯基甲烷类工业染料，具有高毒性、高残留和致癌、致畸变、致突变等毒副作用[3]，美国、韩国、日本等许多国家在水产养殖业已严禁使用结晶紫。2018 年10 月12 日，欧盟发布欧盟法规（EU）2018/1513 修订版，要求在服装、纺织品和鞋类等日用消费品中限制使用包含结晶紫在内的33种CMR 物质[4]。

在印染废水处理中，吸附法因成本低、操作简便、无毒且吸附材料具有可再利用等优点，成为废水净化常用的方法[5]，目前已有研究者使用来源广泛、可生物降解、无毒的农作废弃物作为污水处理的原料[6]。纤维素属于环境友好的可再生资源，其具有多孔结构、比表面积大且分子内含有一定量的亲水性羟基，可以吸附有机物小分子和重金属离子[7]。但天然纤维是由β-1，4-糖苷键组成的直链多糖，存在大量的羟基，致使在分子链间和分子链内部形成大量的氢键，氢键会影响反应活性。为了提高纤维素的吸附能力，必须对其进行化学改性，才能使其成为良好的吸附材料[8]。因此，为了提高纤维素的吸附性能，需在纤维素分子中引入具有特定吸附性能的官能团，改善吸附剂表面的性能，以此来增强其吸附能力[9]。

1 材料仪器与方法

1.1 试剂与仪器

试验用试剂为N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、丙烯酸（AA）、氢氧化钠、偶氮二异丁腈（AIBN）、结晶紫（CV），均为分析纯；N，N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）CP，小麦秸秆取自甘肃酒泉。

UV-1800PC-DS2 紫外可见分光光度计、QQ-60LS 数显增力搅拌器、2000C 多功能粉碎机、CS101-AB 型电热鼓风干燥箱、FA2204C 型电子天平、PHS-3C 酸度计、HY-4 调速多用振荡器、GL-2 型恒温加热磁力搅拌器。

1.2 小麦秸秆吸附剂制备

清洗收集的农业废弃物小麦秸秆，晾干，放入多功能粉碎机进行粉碎、过筛，将粉碎后的小麦秸秆用20%的NaOH 溶液浸泡碱化、蒸煮3 h，用蒸馏水洗至中性，过滤，90 ℃下烘干。

称取一定量的AIBN，放入带有搅拌装置的圆底瓶中，再加入25 mL 蒸馏水，升温至65 ℃，然后加入羧甲基纤维素，充分搅拌后，滴加MBA、中和度50%的丙烯酸和NVP(乙烯吡咯烷酮），反应约4 h，得到小麦秸秆羧甲基纤维素吸附剂（WSCCA）。

1.3 标准储备溶液的配制

精确称取0.05 g 的CV，用95%乙醇溶液溶解，转移到500 mL 容量瓶中，加蒸馏水定容至刻度线。配制成浓度为100 mg·L-1的CV 储备溶液，备用。

1.4 结晶紫光谱曲线绘制

纯化水为空白溶液调节仪器基线后，测定标准系列中溶液浓度为2.0 mg·L-1的结晶紫标准溶液的吸收光谱曲线。确定最大吸收波长为590 nm。

1.5 线性范围

分别配制不同浓度的标准系列溶液进行分析（0.5 mg·L-1、1.0 mg·L-1、2.0 mg·L-1、5.0 mg·L-1、10.0 mg·L-1），以标准溶液的浓度为横坐标，响应值为纵坐标，绘制标准曲线，得到标准系列溶液的线性回归方程。结晶紫的线性方程和相关系数见表1。

表1 标准曲线的线性方程及相关系数表

1.6 染料的吸附试验

准确移取一定浓度的结晶紫（CV）溶液50.00 mL置于250 mL 锥形瓶中，加入一定质量的小麦秸秆羧甲基纤维素吸附剂（WSCCA），以150 r·min-1的振荡速度在振荡器中进行吸附180 min，冷却到室温后过滤，在590 nm 波长下测定滤液的吸光度，计算WSCCA 对废水中结晶紫的脱色率。

式中：PO、Pe分别为吸附前后染料的质量浓度。

2 结果与分析

2.1 初始CV 浓度对脱色率的影响

移取不同初始浓度的CV 溶液50 mL，置于250 mL的锥形瓶中，加50 mg WSCCA 吸附剂，25 ℃，pH=7， 振荡速度150 r/min，吸附时间 20 min，CV初始浓度对其脱色率的影响如图1 所示，由图1 可见：脱色率随CV 浓度的增大而升高，当结晶紫初始质量浓度增加到100 mg·L-1时，脱色率达到最大值，之后逐步下降。

图1 初始CV 浓度对脱色率的影响图

2.2 吸附剂用量

向质量浓度为100 mg·L-1的结晶紫溶液中加入不同质量的WSCCA 吸附剂，其他条件不变，得到结晶紫脱色率随吸附剂用量变化的曲线，见图2。由图2 可见：随着吸附剂用量的增加，结晶紫的脱色率显著增加。在小麦秸秆吸附剂加入量为0.1g 时，脱色率可达98.8%，随着吸附剂用量的增加结晶紫脱色率变化不明显，因此，本次研究小麦秸秆吸附剂的用量为0.1 g。

图2 吸附剂用量对脱色率的影响图

2.3 吸附时间

取初始质量浓度为100 mg·L-1的CV 溶液50 mL于250 mL 的锥形瓶中，加入0.1 g 吸附剂，其他实验条件同上，吸附时间对CV 脱色率的影响见图3。由图3 可见：脱色率随时间的增长而升高，在60 min 时脱色率达到最大。因此，确定WSCCA 吸附剂去除结晶紫的最佳吸附时间为60 min。

图3 吸附时间对脱色率的影响图

2.4 溶液的pH

吸附剂用量为0.1 g，其他实验条件同上。由图4 可 见：当pH 在6 ～8 变 化 时，CV 去 除 率 在93%～98%变化。从实际操作方便考虑，不用再调节废水溶液的pH，直接进行吸附实验，溶液pH 呈碱性时，吸附剂表面呈负电性，废水中的污染物解离后也显示负电性，静电斥力导致吸附效率降低。溶液pH 呈酸性时，吸附剂表面呈正电性，与带正电荷的污染物也相互排斥。

图4 溶液的pH 对脱色率的影响图

3 结论

通过研究溶液的初始浓度、吸附剂用量、吸附时间、溶液pH 等因素，考察了WSCCA 吸附剂对结晶紫脱色的效果，结果表明：溶液的初始浓度为100 mg·L-1；吸附剂最佳投加量为0.1 g；吸附的平衡时间为60 min，弱碱性条件下有利于小麦秸秆吸附剂对结晶紫的吸附，在最佳吸附条件下，结晶紫的吸附去除率达98.5%；温度对结晶紫吸附的影响不明显。

目前，关于生物质吸附剂的研究比较浅显，尤其对于不同类型的污染物吸附机理还不明确，并且在选择性和专属性两方面无法权衡；农业废弃物生物质的制备尚处于实验室阶段，同时对于吸附剂后期处理和循环使用方面研究比较欠缺。针对以上问题继续开展深入研究，借鉴先进经验，加强科技攻坚力度，开发高附加值秸秆工业化产品，是我国秸秆生物质能源产业走入资本市场的主要途径，会真正成为我国碳中和发展的主要助力。