莜麥秸稈纖維素對銅離子的吸附研究

哈 斯

(呼和浩特民族學院 環境工程系，內蒙古 呼和浩特 010051)

隨著近年來工業化進程的推進和城鎮化提速及人口的增長，我國正面臨著嚴重的環境形勢，尤其廢水的排放量日益加劇，從而導致環境的嚴重破壞。廢水中含有的重金屬離子是對環境污染最嚴重有害物質之一。銅的污染主要來源是銅鋅礦的開采和冶煉、鋼鐵生產、塑料電鍍和含銅化合物的生產等。銅等重金屬離子難以被自然降解，可長期潛伏在土壤和水中，并隨食物鏈進入植物體、動物體甚至人體，在人體內不斷蓄積從而危害人體健康[1-2]。因此，如何治理重金屬廢水已經受到各界的普遍重視。目前，用于去除污水中重金屬離子的方法有沉淀、離子交換、電化學處理、膜分離技術等[3]。但這些方法受到工藝和經濟的限制[4]。所以，尋找較為廉價的污水凈化材料，降低污水處理的成本，提高凈化效率成為研究人員的重要課題。纖維素等吸附材料用作吸附、分離、提取重金屬，從經濟和環境保護角度都具有十分重要的意義[5]。莜麥秸稈中富含纖維素，可用來制備重金屬吸附劑。我國西北、西南、華北和湖北等省區廣泛種植莜麥，每年有大量的莜麥秸稈廢棄物，可將其制備為吸附劑，將其變廢為寶，對保護環境和資源的再利用大有裨益。本研究使用莜麥秸稈纖維素吸附Cu2+離子，并探討其吸附性能。

1 材料與方法

1.1 儀器與藥品

材料：內蒙古烏蘭察布盟武川縣莜麥秸稈。

儀器：電熱恒溫鼓風干燥箱，精密pH計。電子天平，超純水機。超聲波清洗器，精密電子分析天平，原子吸收分光光譜儀。

藥品：氫氧化鈉，正己烷，次氯酸鈉，冰醋酸，硫酸銅，濃硝酸，乙醇和丙酮。

1.2 莜麥秸稈纖維素的制備

將秸稈去葉并切成小段，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，備用。

稱取10 g，莜麥秸稈粉末于裝有60 mL正己烷的錐形瓶中，于50 ℃下攪拌4 h后，過濾，洗凈并烘干，得到脫蠟產物。脫蠟質的試樣2 g移入250 mL錐形瓶中，加入65 mL蒸餾水，0.5 mL冰醋酸， 0.6 g次氯酸鈉，搖勻，在75 ℃恒溫水浴中加熱1 h，加熱過程中，應經常旋轉并搖勻錐形瓶，到達1h不必冷卻溶液，再加入0.5 mL冰醋酸，0.6 g次氯酸鈉，搖勻，在75 ℃恒溫水浴中加熱1 h(重復進行3次)，脫去木質素，試樣損失的質量即為木質素含量。脫木質素后的樣品用4 mol/L的NaOH堿溶液500 mL室溫浸泡1 h，攪拌24 h，脫除半纖維素。抽提完成后進行過濾，過濾時用蒸餾水洗濾渣數次至濾液呈中性，乙醇和丙酮，去離子水沖洗，所得樣品在60 ℃干燥16 h至恒重。得到纖維素，備用，代號為NOSC。

2 Cu2+離子的批吸附試驗

2.1 離子溶液的配制

將硫酸銅配制成Cu2+離子濃度為1000 mg/L的儲備液，加入1%的硝酸后密閉低溫保存以備用，通過稀釋貯備液配制不同濃度金屬離子溶液。

2.2 吸附時間對銅離子的去除影響

取50 mL初始濃度為300 mg/L的銅離子溶液于100 mL錐形瓶中，用0.1 mol/L的HCl和NaOH溶液調節金屬離子溶液pH值保持5。加入莜麥秸稈纖維素25 mg，在室溫下振蕩3～90 min，轉速為150 r/min，反應結束后過濾，濾液用原子吸收光譜儀測定重金屬離子濃度。根據式(1)計算吸附量Q(mg/g)：

Q=(C0-C)V/W

(1)

式中，V表示溶液體積(mL)，C0表示Cu2+離子初始濃度(mg/L)，C表示吸附后Cu2+離子濃度(mg/L)，W表示吸附劑用量(g)。

2.3 溶液pH值對吸附的影響實驗

稱取25 mg莜麥秸稈纖維素置于錐形瓶中，各加入300 mg/L的硫酸、銅離子溶液50 mL，以相同攪拌速度攪拌吸附1 h控制pH值為2～7進行多組吸附實驗。實驗中溶液pH值由精密pH計測定，通過滴加0.1 mol/L的HCl和NaOH保持。吸附后溶液中的離子濃度由原子吸收分光光譜儀測定。

3 結果與分析

3.1 吸附時間對吸附的影響

圖1 吸附時間對Cu2+吸附的影響

莜麥秸稈吸附劑的吸附時間對Cu2+離子吸附量的關系如圖1所示。由圖可知隨著莜麥秸稈吸附劑吸附時間的不同，莜麥秸稈纖維素對Cu2+離子的吸附能力也隨之改變。在0～10 min之內，吸附量不斷提高，吸附首先主要在纖維素的外表面和部分微孔內進行，隨著反應的進行，在10 min之后，纖維素表面和微孔逐漸被占據，表面的吸附點位越來越少，顆粒表面自由能逐漸降低，吸附效率減緩，吸附量逐漸趨于穩定，吸附漸漸達到飽和，吸附阻力增加，且此時濃度差減小，吸附推動力也減小，吸附趨于達到平衡。從而獲得最佳的吸附時間為10 min。

3.2 pH值對吸附的影響

圖2 pH值對Cu2+吸附的影響

其他條件不變的情況下，改變溶液pH值時吸附劑對Cu2+離子的吸附量的關系如圖2所示。從圖中可以看出，pH值小于5時，隨著pH值的減小吸附量下降，這是因為溶液中存在大量的氫質子，可與纖維素中的羥基結合，不利于銅離子的吸附，使吸附量較小。pH值5時莜麥秸稈纖維素對Cu2+離子的吸附量較好。

4 結論

通過使用莜麥秸稈纖維素作為吸附劑，考察了其對水溶液中Cu2+離子的吸附性能。吸附時間為10 min時，吸附劑對Cu2+離子的吸附效果較好。改變溶液pH值對吸附有影響，在pH值為5時得到較好的吸附效果。