磁性胺化木質(zhì)素對(duì)銅鋅鎘的吸附研究

龐婭 李玲 易佳欣

摘要：本研究是通過(guò)將世界上第二最豐富的有機(jī)物木質(zhì)素材料進(jìn)行一系列改性后來(lái)治理廢水中Cu Zn Cd離子。利用Mannich反應(yīng)對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行胺化改性，將活潑胺基引入到木質(zhì)素中；后將胺化過(guò)后的木質(zhì)素通過(guò)嫁接磁性多孔材料Fe3O4，將胺化木質(zhì)素附著在Fe3O4表面。利用SEM、XRD和Zeta等手段表征了材料的形貌結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性，系統(tǒng)研究了磁性胺化木質(zhì)素吸附廢水中Cu Zn Cd離子的性能。對(duì)吸附性能如最佳pH、溫度、吸附時(shí)間和初始濃度以及優(yōu)先吸附等行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

水體重金屬污染修復(fù)是水污染治理的重要方面。采用吸附的方法處理水體重金屬污染是一種可行的方法。高效、低成本、綠色的吸附劑的發(fā)展具有重要意義[1]。木質(zhì)素廣泛存在，且成本低廉。以其為原料制備吸附劑處理重金屬具有理論和實(shí)踐意義。

實(shí)驗(yàn)方法

以堿木質(zhì)素為原料，用Mannich反應(yīng)來(lái)合成胺化木質(zhì)素[2]. 具體步驟為： 將3.8mL甲醛加入到超聲過(guò)后的堿性木質(zhì)素中，攪拌后并立馬加入8.4mL的TEPA（四乙烯五胺）。將三種混合液加入到裝有攪拌裝置的氨氮燒瓶中，水浴加熱至75℃后，恒溫回流3 h，在反應(yīng)后的混合物中加2mL鹽酸，再加10g赤血鹽產(chǎn)生沉淀，經(jīng)抽濾烘干即得中間產(chǎn)物胺化木質(zhì)素。將烘干后的木質(zhì)素胺充分研磨，用蒸餾水溶解，放置于超聲波中超聲10min，讓其充分分散在水中。后稱(chēng)取10.8 g FeCL3于燒杯，加入50mL蒸餾水溶解。先將溶解過(guò)后的氯化鐵溶液與木質(zhì)素胺溶液在數(shù)顯攪拌裝置下充分混合10min后，加入5.56 g用50 mL蒸餾水溶解的硫酸亞鐵。邊攪拌邊倒入4mol/L的氨水，直至溶液pH為9？—11時(shí)，停止加入氨水。攪拌30 min后，加入蒸餾水至大燒杯，洗滌生成的磁性胺化木質(zhì)素，至溶液呈中性；然后烘干后研磨放入干燥皿中備用。

配置1000 mg/L的Cu Zn Cd母液。每次的吸附實(shí)驗(yàn)在恒溫的水浴搖床上進(jìn)行的，其轉(zhuǎn)速為180 rpm。每次處理時(shí)都是分別在含50 mL的10 mg/L Cu Zn Cd的溶液中加入0.05g的磁性胺化木質(zhì)素，吸附完成后，在外部磁場(chǎng)的作用下，分離吸附質(zhì)與吸附劑，然后取上清液進(jìn)行測(cè)定。該實(shí)驗(yàn)對(duì)磁性胺化木質(zhì)素在不同pH、不同吸附時(shí)間、不同的溫度、不同初始濃度、競(jìng)爭(zhēng)吸附等條件下對(duì)Cu Zn Cd的吸附做了研究。Cu Zn Cd濃度的測(cè)定都是使用原子吸收分光光度計(jì)下測(cè)定。標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)系數(shù)R2≥0.999，Cu Zn 標(biāo)準(zhǔn)曲線的濃度設(shè)置為（0、0.1、0.5、1、2、5）mg/L。Cd標(biāo)準(zhǔn)曲線的濃度設(shè)置為（0、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4）mg/L。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

pH和吸附時(shí)間的影響

重金屬 Cu Zn Cd在不同pH下的吸附率不同，且所配的10 mg/L的重金屬溶液的pH分別為5、6、6。如圖1所示，這三種重金屬的吸附率都隨著pH的升高而上升。在pH=2時(shí)Cu的吸附率基本上為0，Cd和Zn的吸附率也很低，而在pH=7時(shí)，三種重金屬的吸附率都在80%之上。但是重金屬溶液在pH過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生沉淀嚴(yán)重影響材料的吸附作用。

如圖2所示，重金屬 Cu Zn Cd隨著時(shí)間推移而吸附率增加，基本上到30min就趨于飽和狀態(tài)了，之后吸附率沒(méi)有多大的變化。所以胺化磁性木質(zhì)素吸附重金屬Cu Zn Cd的最佳吸附時(shí)間為30min。既保證了最佳吸附率，又節(jié)約了吸附時(shí)間。

此外，研究15℃，25℃和35℃對(duì)吸附的影響，總的趨勢(shì)是隨著溫度的升高，吸附效率增加。而由于吸附位點(diǎn)有限，增加重金屬的初始濃度，吸附效率降低。

競(jìng)爭(zhēng)性吸附分析

如表1所示，在Cu Zn Cd三種重金屬混合溶液中吸附率Cu>Zn>Cd；在Cu Cd兩種重金屬的混合溶液中吸附率Cu>Cd；在Zn Cd兩種重金屬的混合溶液中吸附率Zn>Cd；在Cu Zn兩種重金屬的混合溶液中吸附率Cu>Zn。從而可知對(duì)于這三種重金屬，吸附劑胺化磁性木質(zhì)素優(yōu)先吸附順序?yàn)镃u>Zn>Cd。

參考文獻(xiàn)：

[1] 龐婭. 磁性納米復(fù)合材料的制備及其去除水體污染物的研究[D]湖南大學(xué)，2012.

[2] 岳萱，喬衛(wèi)紅等.曼尼希反應(yīng)與木質(zhì)素的改性.精細(xì)化工.2001.18（11）：670-673.

本研究得到了長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃項(xiàng)目（ZD1601018）和2017，2018年度湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。