兩性蔗渣吸附劑的制備及其對氮、磷富營養因子的吸附效果

郭 延 柱， 康 悅， 李 海 明， 初 婷 婷， 劉 蘇 珍， 韓 陳 曉， 王 志 偉

( 1.大連工業大學 輕工與化學工程學院， 遼寧 大連 116034； 2.廣西大學 廣西清潔化制漿造紙與污染控制重點實驗室， 廣西 南寧 530004； 3.山東世紀陽光集團有限公司， 山東 濰坊 261000 )

0 引 言

1 實 驗

1.1 原料及試劑

甘蔗渣，自提收集得到；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(METAC)，純度75%；丙烯酰胺(AM)，純度99%；2-丙烯酰胺-2-甲基丙烯酸(AMPS)，純度98%；過硫酸鉀(K2S2O8)，分析純。試劑均為上海阿拉丁生化科技股份有限公司生產。

1.2 兩性蔗渣吸附劑的合成

在氮氣氛圍下，將0.3 g蔗渣緩慢加到10 g于80 ℃下溶解的氯化1-丁基-3-甲基咪唑離子液體中。待蔗渣完全溶解后，向溶液中加入一定量的K2S2O8，磁力攪拌5 min后依次緩慢加入適量的METAC、AM和AMPS，于80℃下磁力攪拌反應3 h。反應結束后，用無水乙醇洗滌2～3遍冷卻溶液去除均聚物，并將粗產物移至透析袋中透析72 h，直至透析介質用硝酸銀檢測無沉淀。將透析后的液體冷凍干燥48 h得到兩性蔗渣吸附劑產物。

1.3 兩性蔗渣吸附劑(MABA)的表征

1.3.1 兩性蔗渣吸附劑的交換能力

吸附的總交換容量(TEC)[11]計算公式：

TEC=w(N)/1.4

(1)

式中：TEC為蔗渣和兩性蔗渣吸附劑的總交換容量，mEq/g；w(N)為蔗渣和兩性蔗渣吸附劑的總氮質量分數，%，由元素分析儀測定。

1.3.2 傅里葉紅外光譜(FT-IR)表征

將測定樣品分別與KBr以1∶100的質量比例混合均勻，充分研磨后壓片，在傅里葉紅外光譜儀(美國PerkinElmer公司)上掃描，以純KBr壓片為背景掃描，掃描范圍為400～4 000 cm-1。

1.3.3 熱重(TGA)表征

稱取樣品5～10 mg，利用Q500型的熱重分析儀對樣品的熱穩定性能進行表征，溫度測試范圍25～700 ℃，升溫速率10 ℃/min，氮氣保護，氣體體積流量為30 mL/min。

1.4 兩性蔗渣吸附劑對和的吸附效果

Qt=(ρ0-ρt)V/m

(2)

Qe=(ρ0-ρe)V/m

(3)

R=(ρ0-ρt)/ρ0

(4)

2 結果與討論

2.1 兩性蔗渣吸附劑的合成與性能表征

兩性蔗渣吸附劑合成反應機理如圖1所示。在K2S2O8引發下，蔗渣結構中的羥基轉換為氧自由基，并且METAC、AM、AMPS的雙鍵斷裂，分別產生自由基活性位點，成為蔗渣受體。蔗渣結構中含氧自由基和單體的自由基結合從而發生單體與蔗渣的自由基聚合反應。

圖1 兩性蔗渣吸附劑合成反應機理圖Fig.1 Diagram for preparing MABA

2.2 兩性蔗渣吸附劑性能表征

圖2 蔗渣和兩性蔗渣吸附劑的FT-IR圖Fig.2 FT-IR spectra of bagasse and MABA

兩性蔗渣吸附劑和蔗渣的熱穩定性能如圖3所示。由圖3可以看出，兩性蔗渣吸附劑的初始降解溫度為220 ℃，低于蔗渣的初始降解溫度。蔗渣和兩性蔗渣吸附劑的最大熱降解溫度分別為550和480 ℃。當質量損失率達到50%時，蔗渣和兩性蔗渣吸附劑的熱降解溫度分別為343和296 ℃。兩性蔗渣吸附劑的熱穩定性能低于蔗渣，說明蔗渣經過自由基聚合反應改性后熱穩定性能下降。

圖3 蔗渣和兩性蔗渣吸附劑的TG和DGA曲線

Fig.3 TG and DTG curves of bagasse and MABA

2.3 兩性蔗渣吸附劑對和的吸附效果

2.3.1 兩性蔗渣吸附劑投放量對吸附性能的影響

圖4 兩性蔗渣吸附劑用量對和去除率和吸附容量的影響

Fig.4 Effect the MABA dosage on its adsorption capacity and removal efficiency to

2.3.2 溶液pH對吸附性能的影響

圖5 pH對兩性蔗渣吸附劑吸附和的影響

2.3.3 共存離子對吸附劑性能的影響

圖6 共存離子濃度對和平衡吸附量的影響

Fig.6 Effect of co-exist ionic concentration on adsor-bing capacity of MABA to

2.4 兩性蔗渣吸附劑的吸附動力學

圖7 兩性蔗渣吸附劑對和的 吸附動力學參數Fig.7 Adsorption kinetics of MABA to

ln(Qe-Qt)=lnQe-k1t

(5)

(6)

(7)

表1 兩性蔗渣吸附劑對和的吸附動力學參數

圖8 兩性蔗渣吸附劑對和吸附的粒子內部擴散模型

2.5 兩性蔗渣吸附劑的吸附熱力學

顧盼找到她的時候，她的額頭滾燙滾燙，卻仍然坐著不肯離開。顧盼把她扛到肩膀上，一直背到他巡邏的警車里去，她一路拍打著掙扎著，狠狠咬他的手臂，直到車門關上才安靜下來。她哭了，卻不肯說話，心里全都是滿滿的苦，怕一張口，就會彌漫得滿車都是黃連的味道。

(8)

Freundlich等溫線是一個經驗方程，它假定吸附過程發生在非均質表面。方程表示為

(9)

Temkin等溫線假設，由于吸附離子和帶電吸附劑之間的間接靜電相互作用，吸附熱隨覆蓋面積的增加而線性下降。該模型的線性化形式可以表示為

(a) NH+4

(b) PO3-4

Qe=BTlnKT+BTlnρe

(10)

表2 兩性蔗渣吸附劑對和的等溫吸附熱力學參數Tab.2 Isotherm parameters of adsorption of MABA to

2.6 二元體系中的吸附效果

2.7 不同生物質兩性改性吸附劑的吸附效果比較

圖10 平衡質量濃度與和平衡吸附量的關系圖

Fig.10 The relationship between equilibrium mass concentration of

表3 不同生物質改性吸附劑對和的吸附性能

3 結 論

FT-IR和TGA結果表明3種單體成功地接枝到了木質素分子上。TGA結果表明蔗渣的熱穩定性低于兩性蔗渣吸附劑。