磁性胺化木質素對銅鋅鎘的吸附研究

龐婭 李玲 易佳欣

摘要：本研究是通過將世界上第二最豐富的有機物木質素材料進行一系列改性后來治理廢水中Cu Zn Cd離子。利用Mannich反應對木質素進行胺化改性，將活潑胺基引入到木質素中；后將胺化過后的木質素通過嫁接磁性多孔材料Fe3O4，將胺化木質素附著在Fe3O4表面。利用SEM、XRD和Zeta等手段表征了材料的形貌結構和化學特性，系統研究了磁性胺化木質素吸附廢水中Cu Zn Cd離子的性能。對吸附性能如最佳pH、溫度、吸附時間和初始濃度以及優先吸附等行為進行了實驗。

水體重金屬污染修復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、綠色的吸附劑的發展具有重要意義[1]。木質素廣泛存在，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踐意義。

實驗方法

以堿木質素為原料，用Mannich反應來合成胺化木質素[2]. 具體步驟為： 將3.8mL甲醛加入到超聲過后的堿性木質素中，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，在反應后的混合物中加2mL鹽酸，再加10g赤血鹽產生沉淀，經抽濾烘干即得中間產物胺化木質素。將烘干后的木質素胺充分研磨，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。后稱取10.8 g FeCL3于燒杯，加入50mL蒸餾水溶解。先將溶解過后的氯化鐵溶液與木質素胺溶液在數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，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。每次的吸附實驗在恒溫的水浴搖床上進行的，其轉速為180 rpm。每次處理時都是分別在含50 mL的10 mg/L Cu Zn Cd的溶液中加入0.05g的磁性胺化木質素，吸附完成后，在外部磁場的作用下，分離吸附質與吸附劑，然后取上清液進行測定。該實驗對磁性胺化木質素在不同pH、不同吸附時間、不同的溫度、不同初始濃度、競爭吸附等條件下對Cu Zn Cd的吸附做了研究。Cu Zn Cd濃度的測定都是使用原子吸收分光光度計下測定。標準曲線的線性相關系數R2≥0.999，Cu Zn 標準曲線的濃度設置為（0、0.1、0.5、1、2、5）mg/L。Cd標準曲線的濃度設置為（0、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4）mg/L。

實驗結果

pH和吸附時間的影響

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，三種重金屬的吸附率都在80%之上。但是重金屬溶液在pH過高時會產生沉淀嚴重影響材料的吸附作用。

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

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

競爭性吸附分析

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。從而可知對于這三種重金屬，吸附劑胺化磁性木質素優先吸附順序為Cu>Zn>Cd。

參考文獻：

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

[2] 岳萱，喬衛紅等.曼尼希反應與木質素的改性.精細化工.2001.18（11）：670-673.

本研究得到了長沙市科技計劃項目（ZD1601018）和2017，2018年度湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目的支持。