木质素衍生物合成吸附材料在污水净化处理中应用

刘凯楠　李国峰

摘 要：木质素是地球上极具潜力的可再生资源，在植物体内，木质素的组分约占三分之一，其含量仅次于纤维素。木质素是自然界中特含芳环的三维网状天然高分子聚合物，是合成环境友好型材料的主要生物质资源之一；如何有效利用好这种环保型可再生资源，是当下科研的焦点。主要介绍了木质素及其衍生物所合成的复合材料，作为吸附剂应对于染料废水、重金属废水以及含油废水的处理与净化研究现状，探讨了木质素及其衍生物作为吸附剂未来的发展趋势。

关键词：木质素；合成吸附材料；工业污水；废水处理

中图分类号：TQ319 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0068-03

Application of lignin and its derivatives as adsorbent materials for the treatment of industrial wastewater

LIU Kainan，LI Guofeng

（College of Petroleum and Chemical Engineering，Xinjiang Career Technical College，Kuitun 833200，Xinjiang China）

Abstract：Lignin is a renewable resource with great potential on earth.In plants，Lignin， comprising approximately one-third of the components， has a content second only to cellulose.Lignin is a three-dimensional network natural polymer containing aromatic rings in nature，so it is one of the main biomass resources for the synthesis of environment-friendly materials.How to effectively use this environment-friendly renewable resource has become the focus of current scientific research.This paper mainly introduces the composite materials synthesized by lignin and its derivatives.The research status of the treatment and purification of dye wastewater，heavy metal wastewater and oily wastewater as adsorbent was discussed.The future development trend of lignin and its derivatives as adsorbent was also discussed.

Key words：lignin;synthetic adsorption material;industrial sewage;wastewater treatment

常見的工业废水中包含有机染料污水、含油类污水和重金属污水等［1］。这些废水的处理是关乎人类健康生存的重大课题。木质素作为地球上极具资源化原料之一，在应对污水处理中被广泛研究，借助木质素结构中的活性基团对其进行改性制备出具有吸附性能的复合材料，这种复合材料对不同类型的污水具有净化能力，实现木质素高值化利用。

1 常见的工业污水类型及处理

工业污水又称为工业废水、生产污水，是工业生产过程中产生的废水和废液，这类污染物中包含了生产原料、中间产物以及副产品，其种类繁多、成分复杂、处理困难。例如工业污水进行电解盐中含有汞，冶炼含有铅、铬等重金属，纺织含有有机染料，石油炼制含有复杂有机油品［2］。由于工业污水中含有多种的有毒有害物质，对生物和环境都会造成很严重的破坏，因此，要综合利用，转害为利，经过特定的处理方式达标后再排放。

1.1 有机染料污水及处理

有机染料污水中通常含有发色官能团，其中包括偶氮类 （—NN—） 、羰基类（

—CO—） 、硝基类 （—NO—） 和咪唑类等，还有助色团包括胺类 （—NH2） 、羧基类 （—COOH） 、羟基 （—OH） 类等［3］。这类染料污水长期在水中，使得水体质量变差，严重时颜色沉积深厚，使水中植物无法进行光合作用，水中动植物大规模死亡，严重影响生态环境。目前，科学研究者主要使用吸附法来应对这类污水。吸附法包括物理吸附法和化学吸附法。

（1） 物理吸附法。利用复合材料丰富的孔道结构，对废水进行脱色。其优点在于操作简易、成本低廉，缺点在于分离效率不高；

（2） 化学吸附法。是利用生成共价键或离子键进行吸附，通常是单层吸附形式。化学吸附中所使用的吸附剂通常含有特殊的官能团，这类官能团具有良好的吸附、螯合和交联作用。相对于物理吸附法来说，化学吸附法具有一定的选择性。

物理吸附和化学吸附的异同如表1所示。

1.2 含油类污水及处理

油类物质与水因为二者的密度、表面张力不同，导致二者不相容，但也不易分离［4］。

（1） 电分离法。使用电蒸发作为处理油水的方法，根据其电场对水的作用，削弱其界面膜的强度，进而达到分离效果，此方法适用于油田与炼油厂；

（2） 气浮分离法。利用油相和水相的溶点、沸点、密度等差异，依靠水相中形成的微小气泡，从而使水净化达到分离的效果，其优点是可脱出直径小于50 μm的油滴，但只针对特定种类的油相；

（3） 乳化水的粗粒化蒸发法。利用水相与油相二者对于固体物质的亲和状况不同，使用亲水疏油的固体物质制成蒸发装置。这类方法的优点是，分离速度很快，效率高。但对于分离材料的选取具有较高要求，该固体装置材料必须有良好的湿润性。

1.3 重金属污水及处理

重金属污水主要来源于矿山开采排水、有色金属冶炼、酸洗磷废水、电镀厂加工等生产环节中产生的含有重金属化学污染废水，包含了汞、镉、镍、铜、锌、铅和铬等金属元素［5］。重金属废水很难通过自然代谢的能力消除，通过富集效果伤害到人类自身。目前常用去除废水中的重金属方法：

（1） 电化学法。它是借助电流的作用，将重金属离子在废水中发生迁移从而实现废水净化的方法，此方法可根据特定金属的性质选择性去除；

（2） 生物絮凝法。它是利用微生物代谢产物的方式将重金属离子絮凝沉淀，达到除去的目的，但浓度过高的金属离子会产生毒性效应，影响微生物生存；

（3） 膜分离法。它是利用膜材料的选择透过性去除废水中的金属离子，主要方式有反渗透、电渗析、超滤、微滤和纳滤等。

2 木质素衍生物分类及处理应用

木质素是一种广泛存在与自然界中的天然生物高分子材料，因其具有独特的活性基团和物化性能，并且具有可再生性、可降解等有点，所以被视为绿色化学原料，其改性研究备受关注。原生的木质素化学性质并不稳定，对重金属、染料的吸附量较小，若想获得更好的吸附性能，可以通过对其进行改性，例如通过共混、交联、缩聚、共聚和生成氢键等方法对木质素进行改性而获得木质素的衍生物［6］。通过硫化、磺甲基化、羟甲基化、接枝、缩合等化学修饰方法提高木质素相对分子质量、水溶性和表明活性。木质素用不同的分离方法可分为硫酸盐木质素、磺酸盐木质素、醇解木质素和碱木质素。

2.1 硫酸盐木质素在污水处理中的应用

硫酸盐木质素的产生是在NaOH与Na2S蒸煮、酸性的环境中进行的，再经过酸化、中和、过滤和洗涤获得最终产物。在反应过程中木质素分子间的连接键，在碱性离子OH-、HS-、S2-作用下断裂重组，进而生成具有水溶性的木质素。硫酸盐木质素中含有酚羟基基团和羧基基团等特殊官能团，达到了木质素改性的效果，但硫酸盐木质素含有一定量的硫醇基团，使其具有一定的疏水效果，因此较难溶于中性的溶液。采用2，3-环氧丙基三甲基氯化铵对木质素改性获得木质素-EPTAC，该吸附材料对染发废水具有较好脱色效果，实验证明在木质素-EPTAC质量浓度为460 mg/L时，吸附平衡时间为30 min，最佳去除率为98.1%。利用多金属氧酸盐氧化木质素，使其分子结构中含氧的官能团数量成倍增加，对Pb2+和Cd2+的吸附量分别提升了2倍和3倍的效果[8]。

2.2 磺酸盐木质素在污水处理中的应用

磺酸盐木质素又称为木质素的磺化，是木质素中酚羟基的邻位与亚硫酸盐发生取代反应，从而在木质素的结构上引入了磺酸基官能团。磺酸盐木质素对比硫酸盐木质素其优势在于，磺酸盐木质素中含有较多的磺酸盐基团，使其具有更好的亲水性且更易溶于水。但在磺化反应过程中所形成的新的

CC键，因此在分离过程中会产生大量但灰分和杂质，需要进一步纯化处理。研究发现磺化木质素对重金属污水中的Cr3+的具有一定的吸附性能，磺化木质素不受离子强度影响，但会受到吸附环境的pH值所影响，实验证明对Cr3+的最大吸附量为17.97 mg/g，其吸附模型服从伪二级动力学模型，吸附等温线符合Langmiur方程［9］。用三乙烯四胺对木质素的磺酸钙进行改性，制备出具有吸附性的符合吸附材料，该吸附剂对钛黄染料具有一定的吸附性能，最大吸附量可达190.1 mg/g［10］。运用自由基聚合法改性磺酸盐木质素材料，使其形成多孔结构具有吸附性，实验表明在pH值为5时，改性磺酸盐木质素复合材料对Pb2+的吸附容量为345 mg/g，对Cd2+的吸附容量为278 mg/g［11］。

2.3 碱木质素在污水处理中的应用

碱木质素利用NaOH溶液作为处理原料，在高温高压的条件下，经过碱法蒸煮分离获得。木质素在碱性环境中发生水解反应，内部结构中的醚键发生断裂，使其酚羟基官能团结构增多，在此过程中，側链受到氧化效果生成羧基，至此碱木质素呈现出聚电解质阴离子行为，使其获得了易溶于碱性溶液的优势。研究发现碱性木质素作为吸附剂，对水体重的微量金属元素Pb2+，其表面功能基团（主要是—OH）是决定碱木质素吸附水溶液中的Pb2+和Zn2+性能的最重要因素［12］。等人在造纸液中提取的碱性木质素经过胺化改性合成复合吸附材料，应对于刚果红和铬蓝黑染料处理，在质量浓度为20 mg/L的用量下，对两种染料对去除率可达95.50%和96.20%［13］。用硫代硫酸钠碱木质素去除废水重的磷酸根离子以及磷酸铁离子，研究表面这类碱木质素可以去除废水中的磷酸根离子，当废水中含有Fe3+离子时也会共同反应，并发现了反应顺序依次为：［Fe2HPO4］4+，［FeH2PO4］2+，［Fe2HPO4］，［Fe（HPO4）2］［14］。

3 结语

木质素来源广泛廉价易得，是最具资源化的原料之一，其结构中又含有多种活性官能团，可进一步进行修饰、反应、合成获得木质素衍生物，利用木质素及其衍生物的吸附性能，开发出可应对多种复杂水环境的吸附剂，使废水达到净化的效果。这样既利用了天然生物高分子资源，又能治理当今水环境的污染情况，对社会环境、经济效益都有显著提升。但目前木质素及其衍生物一般为粉状或块状的颗粒材料，孔道结构不稳定，水力学性能有待提高，因此在水处理规模化使用中仍有极大的发展潜力，今后木质素及其衍生物还可以利用其高分子结构特性，制备出均相或异相膜材料来净化废水，达到更高效率的废水净化效果。

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收稿日期：2023-01-27；修回日期：2023-05-10

作者簡介：刘凯楠（1996-），男，硕士，研究方向：高分子材料；E-mail：306704281@qq.com。

通讯作者：李国峰（1987-），男，副教授，研究方向：工业催化；E-mail：419987266@qq.com。

基金项目：新疆应用职业技术学院2022年度科研规划青蓝项目（项目编号：XYZY2022KZD012）。

引文格式：刘凯楠，李国峰.木质素衍生物合成吸附材料在污水净化处理中应用[J].粘接，2023，50（6）：68-70.