ZnCl2活化法制備甘蔗渣生物質(zhì)吸附劑吸附性能研究

秦國華, 鄭黎明, 孟浩瑩, 呂 寧, 郭 瑞, 田子健

(遼寧工業(yè)大學 化學與環(huán)境工程學院,遼寧 錦州 121001)

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ZnCl2活化法制備甘蔗渣生物質(zhì)吸附劑吸附性能研究

秦國華, 鄭黎明, 孟浩瑩, 呂 寧, 郭 瑞, 田子健

(遼寧工業(yè)大學 化學與環(huán)境工程學院,遼寧 錦州 121001)

摘要：為實驗使用氯化鋅活化碳化甘蔗渣制備生物質(zhì)吸附劑，吸附濃度為30 mg/LCu2+廢水。采用正交實驗探討了活化劑ZnCl2的濃度、活化浸漬時間以及活化劑對甘蔗渣生物質(zhì)的固液比對制備生物吸附劑的影響。結(jié)果顯示：當ZnCl2濃度為25 %，固液比為1∶25，浸漬時間為36h時，最佳吸附率為97.3 %。生物質(zhì)吸附劑具有甘蔗渣的纖維形貌結(jié)構(gòu)和亂層石墨結(jié)構(gòu)狀態(tài)，其中含有豐富的孔隙，吸附孔徑寬度為2.75 nm，Langmuir比表面積為193.7 m2/g，單孔吸附總量為0.09 cm3/g。

關(guān)鍵詞：氯化鋅；甘蔗渣；活性炭；吸附

1引言

基于有機生物質(zhì)的吸附劑被稱為生物質(zhì)吸附劑，普遍的認為是一種大量存在于自然界、工業(yè)副產(chǎn)物、廢棄材料或農(nóng)作物的經(jīng)濟有效的吸附劑[1]。開發(fā)生物質(zhì)能源對溫室氣體減排，保障國家能源安全具有重要作用，對生態(tài)環(huán)境具有保護作用，有利于促進農(nóng)村建設(shè)[2]。生物質(zhì)吸附材料具有無毒、可生物降解、不破壞生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點，擁有良好的應(yīng)用前景[3]。

甘蔗渣是甘蔗制糖的主要副產(chǎn)品，是一種潛在的生物質(zhì)資源。據(jù)測算，我國每年有約700多萬t的甘蔗渣沒有進行再利用[4]，一般廢棄于田野或焚燒處理，這不僅占用土地，而且對空氣造成嚴重污染。利用甘蔗渣制備廢水生物質(zhì)吸附劑既處理了農(nóng)業(yè)廢棄物，又能產(chǎn)生良好的環(huán)境效益與經(jīng)濟效益，是甘蔗渣廢物利用的有效途徑[5～7]。一般而言，ZnCl2可與甘蔗渣反應(yīng)而開創(chuàng)出豐富的孔結(jié)構(gòu)，同時還能改變甘蔗渣生物質(zhì)吸附劑表面官能團的類型和數(shù)量，因此本研究將采用ZnCl2活化法制備甘蔗渣生物質(zhì)吸附劑，并研究其吸附性能。

2材料與方法

2.1原料、試劑與儀器

原料：廣西靈山縣陸屋鎮(zhèn)歐亞糖廠甘蔗渣。主要儀器：CJJ78-1型磁力加熱攪拌器，722型可見分光光度計，KSW型馬弗爐，TENSOR 27紅外光譜儀，S-4800型冷場發(fā)射掃描電鏡，SHY-2A型雙功能水浴振蕩器，3H-2000BET-M型全自動氮吸附比表面測試儀。藥品：氯化鋅、CuSO4·5H2O、CuCl2·2H2O、雙環(huán)己酮草酰二腙、氯化銨、NH3·H2O、無水乙醇。

2.2實驗方法

2.2.1甘蔗渣制備生物質(zhì)吸附劑

采用正交實驗的方法，以固液比、活化劑濃度、浸漬時間3個參數(shù)為考察因素制定實驗方案，實驗流程見圖1。

圖1　甘蔗渣生物吸附劑制備流程

2.2.2吸附劑吸附Cu(Ⅱ)

本研究以含Cu(Ⅱ)廢水作為吸附質(zhì)考察甘蔗渣生物質(zhì)吸附劑的吸附性能。室溫下利用水浴振蕩器進行吸附實驗，結(jié)束后過濾，用1 cm比色皿，以雙乙醛草酰二腙為顯色劑，在540 nm波長處采用分光光度法測定濾液中剩余Cu(Ⅱ)濃度[8]，銅離子含量最低一組即為正交實驗最佳組合實驗組。

3結(jié)果與分析

3.1制備方案優(yōu)選

采用正交實驗確定生物質(zhì)吸附劑優(yōu)化制備方案，實驗因素及水平見表1，實驗組合及結(jié)果見表2。

表1　正交試驗因素水平

最佳實驗效果為A3B3C2組，即活化劑濃度為25 %，固液比為1∶25，活化時間為36 h。極差分析結(jié)果表明各個因素影響效果由大到小的順序為固液比、活化劑濃度和活化時間。根據(jù)實驗結(jié)果，ZnCl2溶液的體積和濃度較大(A3、B3)時可促進甘蔗渣比表面積的擴大，使結(jié)構(gòu)中的H、O結(jié)合生成H2O脫出，促進纖維素熱解過程的進行[9～13]。需給予適當?shù)慕n時間使得甘蔗渣脫水并增加比表面積，浸漬時間過短不能達到目的，浸漬時間過長則失去意義。

表2　L9(34)正交實驗

3.2形貌表征

通過SEM照片觀察生物吸附劑的形貌。

圖2　甘蔗渣生物吸附劑SEM照片(×50k)

圖3　甘蔗渣生物吸附劑SEM照片(×1k)

圖2顯示約有半數(shù)的生物質(zhì)吸附劑保留了甘蔗渣的纖維形貌結(jié)構(gòu)，另有約半數(shù)吸附劑呈現(xiàn)相互搭接的亂層石墨結(jié)構(gòu)狀態(tài)，孔隙大小各不相同。纖維狀生物吸附劑由于一維長度方向尺寸占優(yōu)勢，故形成的孔隙較大，平均約為10 μm；圖3顯示相互搭接的亂層石墨結(jié)構(gòu)微粒各維度方向尺寸相當，故孔隙較小，平均孔隙尺寸約在100 nm以下。生物吸附劑顆粒間富含微米級孔隙與納米級孔隙，具有良好的吸附潛能。

3.3紅外光譜分析

圖4為甘蔗渣生物吸附劑的紅外光譜譜圖。在波數(shù)3500 cm-1附近的波峰主要是O-H鍵的伸縮運動是由表面氫氧基團和化學吸附導致的。在波數(shù)2600 cm-1附近波峰歸屬于非對稱的C-H鍵或?qū)ΨQ的C-H鍵，代表甲基和亞甲基。在波數(shù)1500～1700 cm-1附近波峰代表C=O鍵振動的吸收峰。1425 cm-1、1370 cm-1的吸收峰主要是由芳香環(huán)的C-H振動引起的。波數(shù)1000～1250 cm-1附近的吸收峰主要是C-O鍵的伸縮振動。活化后的生物質(zhì)吸附材料表面官能團豐富，使得生物質(zhì)吸附材料的極性、親水性、催化性能、表面電荷和骨架電子密度發(fā)生改變，增加了對水中污染物的吸附效果[14～16]。

圖4　紅外吸收光譜

3.4吸附-脫附曲線與孔徑

圖5為甘蔗渣生物吸附劑的吸附-脫附曲線。此吸附-脫附曲線屬于IV型吸附等溫線，表明制備的甘蔗渣生物吸附劑含有大量中孔，即孔徑多集中在2～50 nm[17]。在相對壓力(P/P0)較小時(A～B)，吸附等溫線斜率逐漸減小，表明吸附質(zhì)在吸附劑的外表面發(fā)生單分子層吸附并逐漸趨于單層飽和狀態(tài)。壓力繼續(xù)增大，曲線出現(xiàn)平臺(B～C)，此時吸附質(zhì)主要在吸附劑外表面發(fā)生多層吸附，且少部分吸附質(zhì)逐漸被內(nèi)部孔隙所吸附。當相對壓力升高到吸附質(zhì)的飽和蒸汽壓時(C點)吸附質(zhì)在中孔內(nèi)發(fā)生毛細凝聚，之后吸附量明顯上升，直至達到吸附飽和(D點)。由于毛細凝聚現(xiàn)象，明顯觀察到吸附線與脫附線不重合，發(fā)生滯后現(xiàn)象，且形成的滯后環(huán)對應(yīng)的壓力變化范圍較大(B→C→D)，因此得知ZnCl2活化制備甘蔗渣生物質(zhì)吸附劑具有豐富的中孔結(jié)構(gòu)。

圖5　吸附-脫附等溫線

甘蔗渣生物質(zhì)吸附劑孔隙測試表明吸附孔徑寬度為2.75 nm，Langmuir比表面積為193.7 m2/g，單孔吸附總量為0.09 cm3/g，進一步印證了其孔隙豐富的特點，適于作為環(huán)境污染物處理的材料。其余參數(shù)見表3所示。

表3　甘蔗渣生物吸附劑孔隙參數(shù)

4結(jié)論

(1)通過正交實驗確定了制備甘蔗渣生物質(zhì)吸附劑的最佳工藝組合：活化劑濃度為25 %，活化劑與甘蔗渣固液比為1∶25，活化浸泡時間36 h。

(2)甘蔗渣生物吸附劑具有豐富的中孔結(jié)構(gòu)，主要孔隙參數(shù)：表面積為193.7 m2/g，單孔容積為0.09 cm2/g，吸附孔徑寬度為2.75 nm。

(3)生物質(zhì)吸附劑具有甘蔗渣的纖維形貌結(jié)構(gòu)和亂層石墨結(jié)構(gòu)狀態(tài)，其中含有豐富的孔隙。

(4)吸附劑表面含有O-H鍵、非對稱的C-H鍵、對稱的C-H鍵、C=O鍵、C-O鍵等官能團，上述基團可促進生物質(zhì)吸附劑的吸附效果。

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收稿日期：2016-04-20

作者簡介：秦國華(1992—)，男，遼寧工業(yè)大學化學與環(huán)境工程學院學生。 通訊作者：鄭黎明(1981—)，男，講師，主要從事環(huán)境材料方面的教學與研究工作。

中圖分類號：X712

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)12-0056-03