磁性球形改性纖維素的制備及應用

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磁性球形改性纖維素的制備及應用

劉心中1，孫 佳2，黃永捷2，李舒帆1，盧偉帥1，黃婉瑜1

（1.福建工程學院生態環境與城市建設學院，福州 350108；2.福州大學環境與資源學院，福州 350108）

摘 要:通過添加凹土和硅溶膠，結合成型技術制備粒徑為3～5mm材料，應用于土壤中鎘污染的修復，最佳吸附條件：土壤含水率為20%，pH值為5，磁性球形改性纖維素的添加量為7.5%，吸附時間10d，對污染土壤中Cd的去除率達75.01%。

關鍵詞:土壤污染；磁性改性纖維素；重金屬鎘；去除率

1　引言

隨著工業和農業在上世紀的快速發展，大量污染物通過各種渠道污染環境，導致環境質量嚴重惡化，尤其是重金屬對土壤造成的污染，形勢極其嚴峻。由于重金屬污染具有累積性、長期性及污染源的多樣性等特點，由重金屬造成的土壤污染是目前人類社會面對的污染面積最廣、亟待解決的嚴重環境問題之一。截至目前，數以千萬公頃的土壤被農藥和重金屬所污染，污染的耕地面積占總耕地面積的10%以上，且經濟越發達的地區污染越嚴重，全國每年有1500萬噸的糧食受到重金屬的污染，造成的糧食減產數量高達數千萬噸，導致的經濟損失至少有250億元[1，2]。重金屬進入土壤后，經過溶解、沉淀、絡合等各種反應，以不同的化學形態存在，并表現出不同的活性[3]。

本文將粉末狀磁性改性纖維素與凹土及硅溶膠結合，在成型技術的基礎上，制備磁性球形改性纖維素，應用于土壤中鎘污染的修復。本研究將討論土壤的物化性質、吸附時間等相關因素對球形磁性改性纖維素對土壤中重金屬鎘去除率的影響規律。

2　實驗部分

2.1 實驗試劑和儀器

實驗過程主要試劑為硅溶膠、凹凸棒土、CdCl2、硝酸、鹽酸、氫氟酸、高氯酸。實驗過程中所用到的主要儀器有原子吸收分光光度計、水泥砂漿攪拌器、恒溫磁力攪拌器。

2.2 磁性球形改性纖維素的制備

制備方法為：先將粉末狀磁性纖維素和凹凸棒土按配比混合，后將無機黏結劑加入其中，充分攪拌；將其放入鼓風干燥箱中干燥，間隔15min攪拌一次，待近干的時候取出，在模具中先呈現規則柱狀，最后手工揉捏加工為球形，直徑在3～5mm。球形成型磁性纖維素的制備工藝如圖1所示。

圖1　球形成型磁性纖維素制備流程圖

2.3 污染土壤的制備

將自然風干的土壤至恒重，加入氯化鎘進行污染處理，攪拌完全后將其取出，放置在較大的容器中風干，平衡2周后裝盆，形成鎘單一污染土壤。每盆1kg，然后分別以土壤含水率、土壤pH值、材料添加量及吸附時間為變量進行單因素實驗，每個實驗重復處理3次，對該材料對土壤中重金屬鎘的吸附去除率進行計算。

2.4 球形磁性改性纖維素對自備Cd2+污染土壤吸附研究

2.4.1 土壤含水率對重金屬Cd2+的吸附效果影響

研究土壤含水率對球形磁性改性纖維素吸咐去除土壤中重金屬Cd2+效果的影響，其中土壤pH值為5，球形磁性改性纖維素的投加量為7.5%，吸附反應時間為10d。污染土壤的含水率的變化范圍為：5%、10%、15%、20%、25%、30%。土壤含水率對Cd2+去除率的影響見圖2。

圖2　土壤的含水率對Cd2+去除率的影響

由圖2可見，球形磁性改性纖維素對土壤中Cd2+去除率隨著土壤含水率的增大而增大，含水率從5%上升到20%時，Cd2+的去除率上升了42.15%，是因為土壤的含水率越高，其二級吸附位點就越多，也越有利于Cd2+離子向纖維素微球表面遷移。但含水率繼續由20%上升到30%時，去除率僅僅上升了6.87%，增速大大減緩，這是由于磁性球形改性纖維素易被土壤包裹，增大了回收難度。因此，過高的含水率不利于實際操作，故將土壤的含水率控制為20%。

2.4.2 土壤pH對重金屬Cd2+的吸附效果影響

研究土壤pH值對球形磁性改性纖維素吸咐去除土壤中重金屬Cd2+效果的影響，其中土壤含水率為20%，球形磁性改性纖維素的投加量為7.5%，吸附反應時間為10 d。污染土壤的pH值的變化范圍為：1、3、5、7、9、11。土壤pH值對Cd2+去除率的影響見圖3。

由圖3可知，土壤的pH值從1.0上升到5.0左右時，球形磁性改性纖維素對重金屬鎘的去除率呈上升的趨勢。這是因為當土壤中的pH值較低時，土壤中的H+會與Cd2+競爭吸附位點，造成Cd2+在球形磁性改性纖維素上的吸附位點減少。隨著pH的升高，Cd2+的去除率卻呈下降的趨勢，是因為當土壤的pH值較高時，金屬離子在土壤中發生化學反應而產生氫氧化物沉淀，重金屬的氫氧化物沉淀較吸附劑而言與土壤有更強的親和力。觀察曲線走勢后，選定土壤的pH值為5.0，Cd2+去除率達到最大值75.01%。

圖3　土壤pH值對Cd2+去除率的影響

2.4.3 球形磁性改性纖維素的投加量對重金屬Cd2+的吸附效果影響

研究球形磁性改性纖維素的添加量對球形磁性改性纖維素吸附土壤中重金屬Cd2+效果的影響，其中土壤含水率為20%，土壤pH值為5，吸附反應時間為10 d。球形磁性改性纖維素的投加量變化范圍為：1.5%、3.5%、5.5%、7.5%、9.5%、11.5%。球形磁性改性纖維素添加量對Cd2+去除率的影響見圖4。

圖4　球形磁性改性纖維素添加量對Cd2+去除率的影響

由圖4可看出，在一定范圍內，隨著球形磁性改性纖維素添加量的增多，其對重金屬Cd2+的去除率增加明顯，并在添加量為7.5%附近出現最大值75.01%，但是，通過計算發現增大球形磁性改性纖維素的添加量雖然可以提高去除率，但卻降低了吸附容量，并沒有使球形磁性改性纖維素發揮最優投入產出比。因此，從經濟性和實用性的角度考慮，選定球形磁性改性纖維素的添加量為7.5%。

2.4.4 吸附時間對重金屬Cd2+的吸附效果影響

研究吸附反應時間對球形磁性改性纖維素吸附土壤中重金屬Cd2+的效果的影響，其中土壤含水率為20%，土壤pH值為5，球形磁性改性纖維素的投加量為7.5%。吸附反應時間的變化范圍為：2d、4d、6d、8d、10d、12d。吸附反應時間對Cd2+去除率的影響見圖5。

圖5　吸附反應時間對Cd2+去除率的影響

由圖5可知，反應天數的增多，球形磁性改性纖維素對重金屬Cd2+的去除率呈近似線性增長。在初始階段，重金屬主要在球形磁性改性纖維素的表面發生吸附，球形磁性改性纖維素對鎘的去除率從29.46%上升到67.13%。之后的吸附速度慢慢變緩，這是因為金屬離子擴散到了球形磁性改性纖維素的孔徑內，重金屬在纖維素表面的傳質速度逐漸變慢導致的。另外由于吸水導致的強度降低，導致球形顆粒膨脹松散，材料的吸附能力也受到影響。10天之后吸附反應達到平衡，這時對鎘的去除率達到75.01%。

3　結語

本文以自制的磁性球形改性纖維素作為土壤中重金屬的吸附劑，通過單因素實驗研究了土壤的理化性質和磁性球形改性纖維素的添加量對吸附效果的影響，得出以下結論：

（1）從實用性的角度出發，磁性球形改性纖維素對鎘污染土壤的最佳吸附條件為：土壤的pH值為5，土壤的含水率為20%，磁性球形改性纖維素的添加量為7.5%、吸附時間為10天。在最佳吸附條件下，磁性球形改性纖維素對污染土壤中Cd2+的去除率可達75.01%。

（2）土壤的pH值過高或過低都不利于磁性球形改性纖維素對土壤中重金屬離子的吸附去除。土壤的pH值較低，土壤中的H+會與Cd2+競爭吸附位點，但若pH值太高，重金屬離子在土壤中發生化學反應，產生氫氧化物沉淀，增加了土壤粒子對重金屬的吸附，因此都不利于磁性球形改性纖維素對重金屬離子的吸附。

（3）在一定范圍內，土壤的含水率越高，磁性球形改性纖維素對土壤中重金屬的去除率越大，但是含水率過高，磁性球形改性纖維素易被土壤包裹，增大回收難度。因此，過高的含水率不利于實際操作，故本文將土壤的含水率控制在20%。

參考文獻：

[1]韋朝陽，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復技術研究進展[J].生態學報，2001，21（7）：1197-1203.

[2]駱永明，滕應.我國土壤污染退化狀況及防治對策[J].土壤，2006，38（5）：505-508.

[3]魏樹和，周啟星.重金屬污染土壤植物修復基本原理及強化措施探討[J].生態學雜志，2004，23（1）：65-72.

Preparation and Application for Modified Fibrin of Magnetism Sphericity

LIU Xin-zhong1, SUN Jia2, HUANG Yong-jie2, LI Shu-fan1, LU Wei-shuai1, HUANG Wan-yu1

(1.Institute of Bio-environment and Urban Construction, Fujian Engineering College, Fuzhou 350108;

2. Institute of Environment and Resources of Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Abstract:The paper points out the best adsorption condition: the containing water rate in the soil is 20%, pH value is 5, addition quantum of modified fibrin of magnetism sphericity is 7.5%, adsorption time is at 10d, the removal rate of CD in the polluted soil reaches at 75.01%.

Keywords:soil pollution; modified fibrin of magnetism; heavy metal cadmium; removal rate

文章編號:1006-5377（2015）09-0037-03

文獻標志碼:B

中圖分類號:X53