木素胺化改性制備重金屬吸附劑

李　萌　王　振　翟　凡　付文曉

(齊魯工業(yè)大學(xué)制漿造紙科學(xué)與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南,250353)

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·木素胺化·

木素胺化改性制備重金屬吸附劑

李萌王振翟凡付文曉

(齊魯工業(yè)大學(xué)制漿造紙科學(xué)與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南,250353)

以木素為原料,通過(guò)胺化改性制備木素基重金屬吸附劑,吸附Pb2+。實(shí)驗(yàn)中首先將木素用琥珀酸酐進(jìn)行酸酐改性,然后以對(duì)甲苯磺酰氯為催化劑與三乙烯四胺反應(yīng),得到胺化改性木素。以琥珀酸酐與木素摩爾比及反應(yīng)時(shí)間為變量?jī)?yōu)化酸酐改性條件。通過(guò)測(cè)定羧基含量、紅外光譜分析(FT-IR)和吸附性能分析對(duì)產(chǎn)物性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明,琥珀酸酐與木素摩爾比1.5∶1、反應(yīng)時(shí)間1 h、溫度28℃、pH值8.5～9.0時(shí)，所得酸酐改性木素中羧基含量最高，達(dá)1.98 mmol/g；FT-IR譜圖分析顯示木素改性成功；胺化改性木素對(duì)Pb2+吸附符合擬二階動(dòng)力學(xué)模型和Freundlich模型,同時(shí)隨著pH值的升高,產(chǎn)物吸附性能隨之提高,pH值>5時(shí)吸附性能降低,在pH值為5時(shí)胺化改性木素對(duì)Pb2+的吸附量達(dá)到152.95 mg/g。

木素；胺化；酸酐改性；Pb2+；吸附

隨著化石資源的枯竭及環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng),可再生資源的開(kāi)發(fā)與利用已逐漸引起人們的高度重視[1]。木素是造紙廢液的主要成分,也是水污染的主要來(lái)源之一。有效利用木素不僅可以節(jié)省資源,而且有利于保護(hù)環(huán)境[2-3]。因此木素循環(huán)再利用不僅具有很好的經(jīng)濟(jì)效益,而且還具有一定的社會(huì)效益[4-5]。木素能進(jìn)行氧化、鹵化、硝化、Mannich、接枝等反應(yīng),木素胺可以顯著提高木素的表面活性,Lin S Y等人[6-7]曾將其用于制備染料分散劑；王曉紅等人[8]通過(guò)Mannich反應(yīng)使木素胺化改性以合成陽(yáng)離子木素胺,確定影響木素胺化改性率的主要因素；劉祖廣等人[9]以三乙胺和環(huán)氧氯丙烷為原料制備了木素季銨鹽；田在龍等人[10]以環(huán)氧氯丙烷與三甲胺鹽酸鹽為原料制得木素胺瀝青乳化劑。但是胺化改性產(chǎn)物用于吸附重金屬的研究卻很少。本實(shí)驗(yàn)先對(duì)木素進(jìn)行酸酐改性,接枝—COO—基團(tuán),通過(guò)酯化或氫鍵連接木素,提供發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活性位點(diǎn)[11],再對(duì)其進(jìn)行胺化處理,制備重金屬吸附劑。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1原料與試劑

木素：有機(jī)木素,江蘇山峰生物材料公司；據(jù)報(bào)道[12]它是小麥秸稈在酸性降解后的黑液中提取并純化得到的。對(duì)于有機(jī)溶劑溶解性差,純度大于90%。

琥珀酸酐、NaOH、鹽酸、三乙烯四胺、對(duì)甲苯磺酰氯、硝酸銀、醋酸鈣、硝酸鉛，均為分析純。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1酸酐改性木素[11]

將3.0 g有機(jī)提純木素[13]和60 mL去離子水加入三口瓶，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的NaOH水溶液將pH值調(diào)節(jié)到8.5～9.0。在28℃、攪拌狀態(tài)下,于0.5 h內(nèi)將相應(yīng)用量的琥珀酸酐緩慢加入到上述反應(yīng)混合物中。反應(yīng)混合物在28℃下分別反應(yīng)一定時(shí)間。反應(yīng)過(guò)程中對(duì)溫度和pH值進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的NaOH溶液使pH值穩(wěn)定在8.5～9.0。反應(yīng)溫度持續(xù)控制在(28±0.5)℃，實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

反應(yīng)結(jié)束后,用濃度6 mol/L的HCl將pH值調(diào)節(jié)至3.0,使產(chǎn)物通過(guò)沉淀分離出來(lái)。靜置8～16 h后分離得到固體,將懸浮物丟棄。用pH值2的酸水清洗3次后進(jìn)行冷凍干燥,得到酸酐改性木素。

注摩爾比表示琥珀酸酐與C9單元木素摩爾比[11]。

1.2.2酸酐改性木素的胺化

在室溫、攪拌、N2保護(hù)狀態(tài)下,將3 g酸酐改性木素及9 g對(duì)甲苯磺酰氯(TsCl)加入到50 mL無(wú)水N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,活化1 h后,將18 g三乙烯四胺在室溫、攪拌狀態(tài)下(溫度可設(shè)置為25～30℃)處理3～5 h,過(guò)濾后,產(chǎn)物在索氏抽提器中用乙醚進(jìn)行抽提純化,在40℃下干燥24 h,得到胺化改性木素產(chǎn)物。

1.3改性木素的表征

1.3.1酸酐改性木素羧基含量測(cè)定

稱取0.5 g酸酐改性木素,加入25 mL濃度為0.1 mol/L的HCl,攪拌并放置30 min,石英砂玻璃漏斗過(guò)濾,然后用去離子水洗滌直至洗脫液中無(wú)氯離子存在。將洗好的樣品和濾紙一起放入250 mL的燒杯中,移入50 mL 2%醋酸鈣溶液,攪拌30 min。加入酚酞指示劑,在攪拌下用0.1 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定,直到溶液微紅為止,記錄所用NaOH溶液的體積,稱取相同質(zhì)量的木素進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)。酸酐改性木素的羧基含量按式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中,c1為NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度,mol/L；v1為酸酐改性木素消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積數(shù),mL；v2為木素消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積數(shù),mL。

1.3.2紅外光譜(FT-IR)分析

將提純處理的樣品充分研磨后制成KBr壓片,采用Nicolet Nexus 470傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)進(jìn)行紅外光譜分析。

1.3.3改性木素吸附實(shí)驗(yàn)研究

本實(shí)驗(yàn)采用最佳吸附劑進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn),考查胺化改性木素產(chǎn)物對(duì)Pb2+吸附動(dòng)力學(xué)、吸附熱力學(xué)及pH值對(duì)其吸附性能的影響。實(shí)驗(yàn)中采用Pb(NO3)2初始濃度為200 mg/L的Pb2+溶液,吸附一定時(shí)間,吸附過(guò)程中用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的NaOH和濃度1 mol/L HCl維持pH值穩(wěn)定。

2　結(jié)果與討論

2.1酸酐改性木素羧基含量分析

不同改性條件下制得的酸酐改性木素的羧基含量見(jiàn)圖1。由圖1可以看出,在琥珀酸酐與木素摩爾比為1.5∶1、反應(yīng)時(shí)間為1 h、溫度為28℃、pH值為8.5～9.0條件下，所得酸酐改性木素中羧基含量最高,可達(dá)1.98 mmol/g。

圖1　酸酐改性木素的羧基含量

2.2紅外光譜分析

圖3　pH值對(duì)胺化改性木素吸附性能的影響

圖4　胺化改性木素吸附能力隨時(shí)間的變化

圖5　胺化改性木素產(chǎn)物吸附Pb2+動(dòng)力學(xué)模型

吸附對(duì)象擬一階動(dòng)力學(xué)模型k1qeR2擬二階動(dòng)力學(xué)模型k2qeR2內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型kiCR2Pb2+0.012329.990.61240.0070154.080.99913.0571128.340.5878

圖2　木素及改性木素的紅外光譜圖

2.3吸附性能分析

2.3.1pH值對(duì)胺化改性木素吸附性能的影響

在溫度及Pb2+濃度不變的條件下,以pH值為變量考察胺化改性木素對(duì)Pb2+的吸附性能。pH值設(shè)為2、3、4、5和6,測(cè)定結(jié)果如圖3所示。由圖3可看出,隨著pH值的升高,胺化改性木素對(duì)Pb2+的吸附量提高,而當(dāng)pH值超過(guò)5時(shí),胺化改性木素對(duì)Pb2+的吸附性能降低；在pH值為5時(shí),胺化改性木素對(duì)Pb2+的吸附量達(dá)到最大,為152.95 mg/g。

2.3.2吸附動(dòng)力學(xué)分析

圖4為胺化改性木素在不同反應(yīng)時(shí)間下對(duì)Pb2+的吸附量。從圖4可以看出,在反應(yīng)20 min時(shí),胺化改性木素對(duì)Pb2+的吸附幾乎達(dá)到吸附平衡,在80 min 時(shí)胺化改性木素對(duì)Pb2+的吸附量達(dá)到最大值,為153.45 mg/g。利用擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和內(nèi)擴(kuò)散模型擬合改性木素的Pb2+吸附動(dòng)力學(xué),如圖5所示,相應(yīng)參數(shù)參照表2。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,擬二階動(dòng)力學(xué)模型中qe與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合,相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9991,由此可知,改性木素動(dòng)力學(xué)符合擬二階動(dòng)力學(xué)模型。

2.3.3吸附等溫線分析

胺化改性木素吸附等溫線模型擬合見(jiàn)圖6,Lang-muir模型和Freundlich模型參數(shù)見(jiàn)表3。由表3可知,胺化改性木素吸附性能較好地符合Langmuir與Freundlich模型。相對(duì)R2而言,Freundlich模型的擬合程度高于Langmuir模型,相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9359,表明吸附過(guò)程更好地符合Freundlich模型；并且1/n值在0.1～0.5之間,表示吸附容易進(jìn)行,平衡濃度C的變化對(duì)吸附量的影響小,吸附性能較好。

圖6　胺化改性木素產(chǎn)物的等溫吸附模型

吸附對(duì)象Langmuir模型1/nKFR2Freundlich模型qmkLR2Pb2+0.13704293.5950.7865134.770.088950.9359

3　結(jié)　論

以木素為原料，首先對(duì)其進(jìn)行酸酐改性，再以對(duì)甲苯磺酰氯為催化劑與三乙烯四胺反應(yīng)，得到胺化改性木素，并將其用于吸附重金屬。

3.1使用琥珀酸酐對(duì)木素進(jìn)行改性,在琥珀酸酐與木素摩爾比為1.5∶1,反應(yīng)時(shí)間為1 h,溫度為28℃,pH值為8.5～9.0時(shí),所得酸酐改性木素中羧基含量最高，可達(dá)1.98 mmol/g。

3.2通過(guò)紅外光譜和元素分析可知,酸酐改性后羧基成功接枝到木素上,進(jìn)一步胺化所得產(chǎn)物在相應(yīng)譜帶也出現(xiàn)相應(yīng)的吸收峰,綜上可知，木素胺化接枝改性成功。

3.3通過(guò)吸附動(dòng)力學(xué)模型和吸附熱力學(xué)模型研究胺化改性木素吸附Pb2+的吸附性能,以pH值為變量研究pH值對(duì)吸附性能的影響。結(jié)果表明,胺化改性木素吸附性能符合擬二階吸附動(dòng)力學(xué)和Freundlich模型；隨著pH值的升高產(chǎn)物吸附性能隨之提高,pH值超過(guò)5吸附性能降低,在pH值為5時(shí)對(duì)Pb2+的吸附量達(dá)到152.95 mg/g。

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(責(zé)任編輯：劉振華)

Preparation of Lignin Based Heavy Metal Adsorbent by Lignin Aminating Modification

LI Meng*WANG ZhenZHAI FanFU Wen-xiao

(KeyLabofPulpandPaperScience&TechnologyofMinistryofEducation,QiluUniversityofTechnology,Ji’nan,ShandongProvince, 250353)

In this experiment, Lignin based heavy mental adsorbent used for obsorbing Pb2+solution was prepared by aminating modification using lignin as raw material. The purified lignin was modified by amber anhydride firstly, then reacted with triethylene tetramine using paratoluensulfonyl chloride as catalyst the aminatd lignin was prepared. The product was characterized by carboxyl group determination, Fourier Transform Infrared spectrum (FT-IR) and adsorption performance analysis.The results showed that when the molar ratio of amber anhydride and lignin was 1.5∶1, the reaction time was 1 h, the temperature was 28℃, pH value was 8.5～9.0, the carboxyl group content of the modified lignin was 1.98 mmol/g. FT-IR spectrum analysis showed that lignin modification was successful.The adsorption of Pb2+was in accordance with the pseudo two order kinetic model and Freundlich model. The adsorption capacity of the product improved with the increase of pH, and the adsorption capacity decreased when pH value>5. When pH value was 5, the adsorption capacity reached 152.95 mg/g.

lignin; acylation; aminating modification; Pb2+; adsorption

李萌女士,在讀碩士研究生；研究方向：清潔生產(chǎn)與綠色化學(xué)。

2015-10-29(修改稿)

TS79

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.05.016

(*E-mail: snumysky@163.com )