改性絲瓜絡對亞甲基藍染料的吸附性能

張 劍, 王 迎

( 大連工業大學 紡織與材料工程學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

絲瓜生長在中國、日本和南美洲的其他國家[1]。絲瓜絡是由絲瓜成熟果實中厚厚的皮和多方向的三維纖維管束組成,具有獨特的多孔性物理結構和優良的機械強度[2]。絲瓜絡本身的物理特征決定其可以成為理想的吸附劑去除污水中的染料或金屬離子[3],如毛金浩等[4]的研究指出化學改性后的絲瓜絡對Fe3+、Zn2+的飽和吸附量分別達到27.4和36.6 mg/g。

本文采用天然絲瓜絡纖維代替活性炭吸附劑去除廢液中的亞甲基藍染料。利用等離子體處理改性絲瓜絡纖維,并詳細討論了等離子體處理參數(即處理時間、電源功率和電極間距離)對絲瓜絡吸附亞甲基藍染料性能的影響。

1 實 驗

1.1 原 料

絲瓜絡粉末,華輝日常用品股份有限公司。將絲瓜絡粉末清洗之后放在80 ℃的烘箱中干燥4 h。亞甲基藍(99.9%),天津石英鐘化學公司。

1.2 儀 器

CTP-2000K/P低溫等離子體實驗電源,南京蘇曼電子有限公司；722s可見光光度計,上海菁華集團有限公司；THZ-82數顯恒溫振蕩器,金壇市國旺實驗儀器廠；JEOL JSM-6460LV SEM掃描電子顯微鏡,日本電子株式會社。

1.3 等離子體處理

稱取100 mg干燥絲瓜絡粉末,在常溫常壓下,將絲瓜絡粉末放在等離子體石英反應器上進行處理。放電條件:電極間距離為6 、7、8、9、10、11、12、13 mm,處理時間為5、10、15、20、25 s,電源功率為80、90、100、110、120、130、140、150 W。

1.4 亞甲基藍溶液的吸光度與質量濃度的標準曲線繪制

分別配置質量濃度為0.001、0.003、0.005、0.007、0.009 g/L的亞甲基藍溶液,使用722s可見光分光光度計測出其吸光度。結果表明染液在660 nm處出現最大吸光度。圖1表示亞甲基藍溶液的質量濃度與吸光度關系曲線,經回歸分析,該曲線為y=150.45x+0.077。

圖1 亞甲基藍溶液吸光度與質量濃度標準曲線

Fig.1 A standard curve between the MB absorbency and the MB concentrations

1.5 染料的吸附

吸附實驗:配置2 000 mL質量濃度為0.1 g/L的亞甲基藍溶液作為模擬染料廢液。分別取100 mL的模擬廢液加入錐形瓶中,再分別稱取不同條件等離子體處理的絲瓜絡粉末80 mg加入錐形瓶中,并將樣品放到數顯恒溫振蕩器上振蕩2 h,靜止30 min,稀釋10倍后,使用722s可見分光光度計測出平衡質量濃度溶液樣品的吸光度。通過已繪出的亞甲基藍溶液吸光度與質量濃度標準曲線,計算出此時樣品的亞甲基藍染料的質量濃度。再依據公式(1)計算出絲瓜絡粉末對亞甲基藍染料的吸附能力Qe(mg/g)。

Qe=(ρ0-ρe)V/m

(1)

式中,ρ0為初始樣品亞甲基藍溶液的質量濃度(g/L)；ρe為平衡濃度樣品的亞甲基藍溶液質量濃度(g/L);V為水溶液的體積(L);m為絲瓜絡粉末的質量(g)。

2 結果與討論

2.1 SEM分析

圖2為絲瓜絡纖維的橫截面,圖中呈現出絲瓜絡纖維獨特的多孔性物理結構。圖3為絲瓜絡纖維等離子體處理前后表面形貌,從圖中可以清晰地看出,經過等離子體改性后,絲瓜絡纖維表面出現明顯的溝槽,比表面積增大。這些特征能夠促使絲瓜絡纖維吸附更多染料,增加絲瓜絡纖維對亞甲基藍的吸附能力。

圖2 絲瓜絡纖維橫截面SEM圖

圖3 絲瓜絡纖維等離子體改性前后SEM圖

Fig.3 SEM images of untreated (a) and plasma treated (b) luffa fibers

2.2 放電條件與吸附量之間的關系

如圖3可知,等離子體處理后,纖維的比表面積增加,對亞甲基藍的吸附能力增強。但是,不同的等離子體處理條件,吸附量的改變程度也不一樣,為了得出最佳處理工藝,通過公式(1)計算出等離子體改性后絲瓜絡吸附亞甲基藍染料的能力Qe。分別繪制出與等離子體電極間距離、處理時間及電源功率的相關曲線,如圖4～6所示。

圖4說明不同電極間距離處理的絲瓜絡粉末吸附亞甲基藍染料能力不同。不同放電距離導致刻蝕程度不同,染料吸附量也隨之發生變化。從圖4可以看出,最佳放電距離是8 mm。此時,等離子體能量分布在整個放電區域,呈輝光放電,能夠均勻的處理纖維表面,使絲瓜絡對亞甲基藍染料吸附能力最高達53.8 mg/g。放電間隙小于此距離時,等離子體能量太強,容易灼傷纖維,導致染料吸附量減小。放電間隙大于此距離時,放電等離子體會逐漸脫離輝光放電,變成越來越稀疏的柱狀放電。等離子體能源主要集中在少數幾個通道上,每個通道的能量都非常大,刻蝕均勻性變差,不能增大比表面積。

圖4 亞甲基藍吸附量與電極間距離(110 W,10 s)的關系曲線

Fig.4 The curve of MB adsorption with electrode distance (110 W, 10 s)

圖5說明亞甲基藍吸附量與等離子體處理時間的關系。從圖5中可以看出,最佳等離子體處理時間為10 s時,亞甲基藍吸附量達到最高值52.5 mg/g。處理時間過短,表面處理效果較弱,吸附能力增加較小,吸附量增加不明顯。處理時間過長,等離子體能量會損傷絲瓜絡纖維表面,并且能量消耗大。

圖5 亞甲基藍吸附量與處理時間(110 W,8 mm)的關系

Fig.5 The curve of the MB adsorption with discharge time (110 W, 8 mm)

圖6表示亞甲基藍吸附量隨著等離子體電源功率變化而變化。電源功率增加時亞甲基藍吸附量快速增加,當電源功率達到110 W時亞甲基藍吸附量最大為51.3 mg/g。電源功率增加等離子體能量增加,有效去除纖維素周圍的木質素。但是,功率繼續增大,對樣品表面刻蝕嚴重,破壞纖維表面狀態。當電源功率達到150 W時,絲瓜絡樣品已經被燒焦了。因此電源功率達到110 W時,達到最佳刻蝕效果,并不會造成能源的浪費。

圖6 亞甲基藍吸附量與電源功率(8 mm,10 s)的關系

Fig.6 The curve of MB adsorption with discharge power (8 mm, 10 s)

以上的實驗結論表明,等離子體處理絲瓜絡的最佳條件為110 W、8 mm和 10 s。與未處理的絲瓜絡對亞甲基藍吸附能力13.3 mg/g相比,經等離子體處理后的絲瓜絡吸附能力高達53.8 mg/g,染料吸附量明顯增加。

3 結 論

絲瓜絡是一種非常有前途的天然吸附材料,具有多孔的三維物理結構。經等離子體改性后,其吸附能力明顯增加,可以高效去除染液廢水中的殘留染料。實驗結果表明,等離子體處理后纖維表面出現大量溝槽,纖維比表面積增大能夠增加絲瓜絡纖維對亞甲基藍染料的吸附能力；等離子體最佳放電條件為:電極間距離8 mm,處理時間10 s,電源功率110 W；未經處理的絲瓜纖維亞甲基藍的吸附量為 13.3 mg/g,改性后絲瓜絡纖維的吸附能力為53.8 mg/g。

[1] 宋士清,劉桂智,劉薇,等. 絲瓜絡的藥用價值研究概述[J]. 中國農學通報, 2004, 20(2):12-16.

[2] TANOBE O A, SYDENSTICKER H D, MUNARO M, et al. A comprehensive characterization of chemically treated brazilian sponge-gourds (Luffa cylindrica)[J]. Polymer Texting, 2005, 24:474-482.

[3] GHALI L, MSAHLI S, ZIDI M, et al. Effect of pre-treatment of luffa fibres on the structural properties[J]. Materials Letters, 2009, 63:61-63.

[4] 毛金浩,劉引烽,楊紅,等. 絲瓜絡的化學改性及其對金屬離子的吸附[J]. 水處理技術, 2008, 34(7):46-50.