改性殼聚糖/莜麥秸稈纖維素吸附劑的制備及對重金屬吸附性能的研究

(呼和浩特民族學院 環境工程系，內蒙古 呼和浩特 010051)

隨著科學技術的快速發展，工業廢水和生活廢水的排放量越來越大，環境污染日益嚴重，人類健康受到了嚴重的威脅。重金屬離子隨廢水排出，即使濃度小，也能污染環境，影響人們的健康。所以如何減低廢水中的重金屬含量減輕重金屬對環境的污染意義重大。處理廢水中金屬離子的方法中吸附法效果較好[1-2]。利用吸附劑處理廢水中的金屬離子不僅投資少、費用低、而且可回收有用金屬、不會產生二次污染、吸附劑可重復使用等優點[3]。

殼聚糖是自然界中儲量較大的天然高分子多糖，可作為良好的吸附劑用于廢水中重金屬離子的去除[4]。殼聚糖對一些重金屬離子的吸附量較小，導致去除效率不高。殼聚糖分子鏈上存在大量的羥基和氨基，可以通過化學改性方法提高吸附能力[5]。殼聚糖作為重金屬吸附劑使用時存在機械強度較低的問題。莜麥秸稈等農作物廢棄物中含有大量的纖維素，其抗拉強度高，并且可與殼聚糖分子結構相似，具有相容性，因此，通過將莜麥秸稈纖維素與殼聚糖共混處理將氨基引入到纖維素上可提高吸附性能也可提高殼聚糖的機械強度。本文以改性的殼聚糖與莜麥秸稈纖維素共混制備吸附劑，并考察其對銅離子的吸附性能。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

莜麥秸稈(內蒙古自治區烏蘭察布盟武川縣)；殼聚糖( 脫乙酰度90%) ；二硫化碳；25%戊二醛水溶液；正己烷；次氯酸鈉；氫氧化鈉；鹽酸；丙酮；甲醇；乙酸。

原子吸收光譜儀、水浴恒溫振蕩器、真空干燥器、低溫高速離心機、實驗室pH 計、分析天平、超純水機。

1.2 莜麥秸稈纖維素的制備

莜麥秸稈用蒸餾水清洗干凈，在沸水中煮1 h，烘箱中烘干。用粉碎機粉碎，過60目篩，得到秸稈粉末。稱取10 g莜麥秸稈粉末使用正己烷 、次氯酸鈉、NaOH堿溶液處理后用去離子水、乙醇，丙酮沖洗后，置于70 ℃烘箱中干燥24 h至恒重。得到莜麥秸稈纖維素，備用。

1.3 改性殼聚糖的制備

1 g殼聚糖加入到100 mL甲醇溶劑中，加入戊二醛水溶液，攪拌4 h，反應后抽濾，得到交聯殼聚糖。將交聯殼聚糖加入到50 mL NaOH溶液中，再加入CS2，混合溶液在攪拌反應24 h。反應后抽濾，用蒸餾水洗滌濾渣至中性，最后用無水乙醇洗滌，室溫真空干燥12 h，得到交聯黃原酸殼聚糖。

1.4 改性殼聚糖和莜麥秸稈纖維素的共混物

2 g殼聚糖加入100 mL的1%乙酸中，在70 ℃恒溫水浴攪拌1 h，然后加入2 g的莜麥秸稈纖維素，在室溫下繼續攪拌1 h，得到混合溶液。然后將混合液以微滴的形式注入2 mol/L的NaOH溶液，并調節pH值，再加入0.4 g的EGDE，在70 ℃恒溫水浴下緩慢攪拌6 h后，將復配物用去離子水洗至pH接近中性，過濾得到改性殼聚糖/莜麥秸稈纖維素吸附劑(CTS-NOSC)。

2 Cu2+離子吸附實驗

2.1 pH值對吸附劑吸附Cu2+離子的影響

為研究pH值對吸附的影響，配制初始濃度100 mg/L的銅離子溶液。使用0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L 的NaOH調節pH值2.0至8.0的的不同溶液。分別稱取0.1 g CTS-NOSC吸附劑置于錐形瓶中加入50 mL不同pH值的銅離子溶液，攪拌吸附1 h。吸附結束后過濾，通過原子吸收光譜儀測定濾液中的金屬離子濃度。吸附量的計算公式(1)為：

Q=(C0-C)V/W

(1)

式中：Q為單位吸附量(mg/g)，C0為吸附前溶液中Cu2+的初始濃度(mg/L)，C為吸附后溶液中Cu2+的濃度(mg/L)，W為吸附劑的用量(g)。

2.2 吸附平衡試驗

使用0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L 的NaOH配制pH值為6，初始銅離子濃度為5、10、20、40、60、80和100 mg/L的溶液。稱取0.1 g CTS-NOSC吸附劑置于錐形瓶中加入50 mL不同初始銅離子濃度的溶液，攪拌1 h。吸附結束后過濾，通過原子吸收光譜儀測定濾液中的金屬離子濃度。吸附量由公式(1) 計算。

3 結果與討論

3.1 pH值對Cu2+離子吸附的影響

圖1 pH值對Cu2+吸附的影響

改性殼聚糖/莜麥秸稈纖維素吸附劑在不同pH值范圍內對銅離子的吸附量如圖1所示，在pH值為2～5的范圍內吸附劑對Cu2+離子的吸附量逐漸增加，當pH值大于5時，吸附量逐漸減少。當pH值較低值時，大多NH2基與H+質子反應不利于Cu2+離子到吸附劑界面因此pH值低時吸附量較低。當pH值增加到5時，吸附劑表面的吸附點位NH2逐漸暴露，有利于對Cu2+離子的吸附反應。因此，pH值5時吸附量也逐漸增加。

3.2 銅離子初始濃度對吸附的影響

圖2 不同Cu2+濃度條件下吸附劑對Cu2+吸附的影響

在不同的銅離子初始濃度條件下，改性殼聚糖/莜麥秸稈纖維素吸附劑對Cu2+離子吸附量的關系由圖2所示。由圖可知，隨著銅離子初始濃度的增加，吸附劑對Cu2+離子的吸附量也逐漸增加。銅離子初始濃度較低范圍時，吸附劑對Cu2+離子的吸附量增加較快，這是由于吸附劑上有足夠多的吸附點位，易于銅離子的吸附。隨著溶液中銅離子濃度的增加，吸附劑表面的吸附點位多被占據，對銅離子的吸附減緩，限制了吸附量的增加。

4 結論

使用戊二醛和二硫化碳改性后的殼聚糖與莜麥秸稈纖維素共混制備新型吸附劑CTS-NOSC，并考察了對水溶液中銅離子的吸附性能。CTS-NOSC吸附劑在pH值為5的溶液中對銅離子的吸附效果較好。隨著銅離子初始濃度的增加，吸附劑對Cu2+離子的吸附量也逐漸增加。

該實驗還在進行后續的探討和研究，如改性殼聚糖/莜麥秸稈纖維素吸附劑吸附銅離子以及其他重金屬離子的可能吸附機理等。