絲瓜絡的化學改性及其對銅離子吸附性能研究

章聚寶 孫艷美

摘要?以絲瓜絡為基礎原料，經皂化和檸檬酸化后制備成化學改性的絲瓜絡生物吸附劑，研究其對Cu2+ 的吸附性能。結果表明，在pH為6.0、Cu2+初始質量濃度為50 mg/L、吸附時間為2 h的條件下，該生物吸附劑對Cu2+吸附率最高，為76.4%。吸附過程遵循準二級動力學模型，符合Langmuir 方程。

關鍵詞?絲瓜絡;化學改性;吸附性能;Cu2+

中圖分類號?X?703文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）01-0073-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.01.023

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on Chemical Modification of Loofah Sponge and Its Adsorption Properties for Cu （Ⅱ）

ZHANG Ju?bao，SUN Yan?mei

（College of Chemical and Environmental Sciences，Kashgar University，Kashi，Xinjiang 844000）

Abstract?Based on luffa sponge original material，after saponification and citration，a chemically modified loofah biosorbent was prepared.The adsorption characteristic of copper ions was studied.The result showed that under the condition of pH 6.0，Cu （Ⅱ） initial mass concentration of 50 mg/L and adsorption time was 2 h，the maximum adsorption rate was 76.4%.The adsorption process followed quasi?secondary kinetic model and was consistent with the Langmuir equation.

Key words?Luffa sponge;Chemical modification;Adsorption properties;Cu （Ⅱ）

重金屬污染對生態環境和人類健康的影響日益嚴重[1]。目前有多種技術方法可用于去除水溶液中的重金屬離子，常用的方法包括化學沉淀法、反滲透法、離子交換法和生物吸附法等[2]，其中吸附法由于簡單、經濟有效而被廣泛采用。然而，商業上應用活性炭是非常昂貴的。一些農業廢棄物已被用作離子吸附劑，如麥麩、鋸屑、稻殼等。天然農業廢棄物本身吸附能力較低，難以滿足工業應用，通過對其改性可以提高其離子吸附能力[3]。

絲瓜絡是絲瓜果實中的維管束，主要由纖維素、半纖維素及木質素組成[4]。它具有獨特的多孔性物理結構和優良的機械強度。要提高對絲瓜絡中纖維素的利用率，就必須對半纖維素和木質素進行處理，破壞其物理、化學結構，研究其對金屬離子的吸附能力[5]。該試驗以絲瓜絡為基本，通過對其化學改性，得到一種經皂化和檸檬酸化處理的絲瓜絡吸附劑，初步探索檸檬酸絲瓜絡對金屬元素的吸附能力及吸附動力學特性，分析pH、溫度等因素對其吸附能力的影響及吸附動力學模型。

1?材料與方法

1.1?試驗材料?試驗用干燥絲瓜絡購于四川成都， 自來水清洗后晾干、 粉碎;CuSO4·5H2O、檸檬酸、NaOH、無水乙醇均為分析純試劑。

1.2?試驗儀器?Z-5000-原子吸收分光光度計，日本日立公司生產;光學顯微鏡，深圳市科視威光學儀器有限公司;分析天平，鹽城雙杰電子科技有限公司;恒溫培養箱，江蘇富奇恒溫設備有限公司;電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9123A型），上海一恒科學儀器有限公司。

1.3?絲瓜絡預處理和化學改性

將絲瓜絡剪成小塊，用蒸餾水洗凈后在50 ℃ 烘箱中烘干，用粉碎機粉碎后過篩。皂化絲瓜絡的制備：稱取粉碎的絲瓜絡50 g，用濃度為0.5 mol/L 的NaOH 溶液100 mL和1% Triton x-100溶液2滴混合浸沒共沸2 h，在共沸期間不斷加入水，以保持溶液體積恒定，冷卻后用去離子水洗滌產物若干次，直至洗滌液 pH 為7，再放入異丙醇溶液中在常溫下浸泡改性處理12 h，抽濾后在75 ℃烘箱干燥，得到皂化絲瓜絡[6]。

檸檬酸絲瓜絡的制備：在具塞的三角瓶中，加入20 g 檸檬酸和100 mL 蒸餾水混勻，加入20 g 皂化絲瓜絡，加塞，于70 ℃下，攪拌下回流2 h，然后升溫至110 ℃反應2 h，冷卻后，用去離子水洗滌、抽濾，至濾液呈中性為止，用少量乙醇洗滌后，放在75 ℃烘箱中干燥，得到檸檬酸絲瓜絡[5] 。

模擬溶液的配制：稱取2.439 g的 CuSO4·5H2O用250mL容量瓶定容后，取5 mL稀釋50倍后，得到50 mg/L Cu2+ 、 Cd2+ 模擬溶液[7]。

1.4?吸附試驗

以Cu2+ 模擬溶液為對象，在250 mL錐形瓶中加入改性絲瓜絡2.5 g， 常溫下在100 r/min的恒溫振蕩培養箱中振蕩吸附 12 h?？刂茰囟?5 ℃，抽濾后原子吸收分光光度計測濾液中 Cu2+ 平衡濃度，計算吸附率。用下式計算吸附量[8]：

q=（c0-ce）V/m

式中，q為改性絲瓜絡Cu2+和Cd2+的吸附量（mg/L） ;c0和ce分別表示Cu2+和Cd2+的初始濃度和最終濃度（mg/L），V表示溶液體積（L），m表示所用生物吸附劑的質量（g）。

2?結果與分析

2.1?對比試驗

對比試驗結果顯示，化學改性前后的絲瓜絡所對應的吸光度分別為0.000 1和 -0.000 7。說明化學改性后的檸檬酸吸附性能明顯提高。

2.2?pH影響試驗?由圖1可知，改性絲瓜絡對溶液中 Cu2+ 的吸附能力與溶液 pH 密切相關，Cu2+溶液濃度為50 mg/L、pH 為 3.0 時吸附率最低，隨著 pH 的增加而增加。最大的吸附率 （48.6%） 出現在 pH 為 6 時，以后隨著 pH 的繼續增大，吸附容量降低。最低的吸附率出現在 pH為 3.0。這可能是因為陽離子的競爭吸附，從而使吸附率較低[9]。

2.3?濃度影響試驗

從25 ℃ 下 Cu2+ 初始濃度在 10～130 mg/L的吸附等溫線（圖2） 可以看出，吸附量隨溶液中 Cu2+ 濃度的增加先增加后減小。

采用 Langmuir 和 Freundlich 等溫吸附模型對圖2 的數據進行模擬，結果發現（圖3），用 Langmuir 方程模擬的結果較好。

2.4?溫度影響試驗

從圖4可以看出，溫度對吸附率影響很大，吸附率隨著溫度的升高而增大。最大吸附率 （76.4%） 出現在溫度值為 55 ℃時。圖5為絲瓜絡吸附試驗 lnKd 與 1/T的線性關系，由圖可求得吸附反應的吉布斯自由能、焓變和熵變;由線性方程的斜率和截距即可計算出相應的吸附反應焓變和熵變[10]。由圖可以求得：焓變 ΔH=-2 957.821 7，熵變 ΔS=-0.5，吉布斯自由能

ΔG =ΔH-TΔS=-2 957.821 7-298.15×（-0.5）=-2 808.75 ，即ΔG<0，說明反應以不可逆方式自發進行。

2.5?時間影響試驗?由圖6可知，吸附反應最終達到吸附平衡 （約120 min）。試驗結果可以很好地用準二級動力學方程進行模擬，相關系數為 0.979 7（圖7）。表明吸附過程遵循準二級反應機理，吸附速率被化學吸附所控制[11]。

4?結論

絲瓜絡皂化和檸檬酸化處理增加了對銅離子的接觸能力。溶液 pH、溫度和吸附時間都是影響生物吸附劑吸附能力的重要因素。在 pH為 6.0 時，吸附量最大。Cu2+ 在生物吸附劑上的吸附約在 2 h 達到平衡。吸附動力學可以用準二級動力學方程可以較好的描述。吸附等溫線結果表明，該生物吸附劑對 Cu2+ 的吸附用方程 Langmuir擬合效果較好。改性后絲瓜絡吸附銅離子的能力增強，將為含重金屬銅離子的污水處理提供一種新的生物吸附劑。

參考文獻

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