季胺基改性枯葉吸附水中硝酸鹽氮的研究

于曉梅，李陽，馬艷飛(山東理工大學，山東 淄博 255000)

0 引言

近年來，隨著工業發展和人類生活水平的提高，水中硝酸鹽氮(NO3-N)污染日益嚴重［1-2］，常規的吸附劑材料活性炭[3]、殼聚糖[4]等可用于去除水中NO3-N，但存在吸附材料價格較為昂貴，推廣性較差的問題[5]。以成本低廉的花生殼[6]、石榴皮[7]、菠蘿葉[8]等廢料為吸附劑原料，可實現廢物的二次利用，成為目前吸附劑研究的熱點方向。廢棄枯葉作為廢棄物材料的典型代表，其原料易得，來源廣泛，成本極其低廉，且其中含有豐富的纖維素和半纖維素[7]，可與各種官能團接枝，以離子交換/配體相互作用捕獲不同的離子型污染物。本項目以廢棄枯葉作為基體，用特定改性方法接枝季胺基官能團，制備季胺基改性廢棄枯葉水處理吸附材料。

1 實驗內容

1.1 實驗方法

本實驗主要研究改性三種廢棄枯葉對地下水中硝酸鹽氮的吸附效果，首先對三種廢棄枯葉進行改性，并與未改性的廢棄枯葉進行比較，然后進行篩選，確定最佳改性廢棄枯葉；然后通過改變實驗條件，研究改性廢棄枯葉吸附地下水中硝酸鹽氮的影響因素：投加量、反應時間、溫度，最終確定改性廢棄枯葉吸附地下水中硝酸鹽氮的最佳組合。

1.2 季胺基改性廢棄樹葉的材料表征

采用場發射環境掃描電子顯微鏡(SEM)分析改性前后三種枯葉吸附劑材料的微觀形貌變化；采用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)分析改性前后三種枯葉吸附劑材料的官能團變化。

2 結果與討論

2.1 改性廢棄枯葉的篩選

本實驗研究改性前后三種廢棄枯葉(油桐、銀杏和懸鈴木生物炭)對地下水中硝酸鹽氮的吸附效果，通過等式(1)計算不同枯葉的去除率，最終結果如圖1所示。通過圖1可以明顯看出改性后銀杏、懸鈴木及油桐對NO3-N的去除率相比原始銀杏、懸鈴木及油桐大大提高，證明了改性的成功。

圖1 改性前后0.1 g銀杏、懸鈴木及油桐對NO3-N去除率

式中：ηe為硝酸鹽氮去除率；c0為吸附前溶液中硝酸鹽氮的濃度(mg/L)；ce為吸附平衡時溶液中硝酸鹽氮的濃度(mg/L)。

2.2 反應時間對改性廢棄枯葉吸附硝酸鹽氮的影響

在25 ℃條件下，0.1 g改性廢棄枯葉分別與硝酸鹽氮反應2、5、8、15、20、30 min，最終結果如圖2所示。由圖可知，不同改性枯葉去除不同濃度NO3-N的最適時間不同。改性油桐在15 min時去除率達到最佳，銀杏枯葉在5 min時去除率達到最佳，而懸鈴木在5 min下NO3-N(83.17 mg/L)去除率達到最佳，在15 min下NO3-N(27.72 mg/L)去除率達到最佳。

圖2 反應時間對改性廢棄枯葉吸附硝酸鹽氮的影響

2.3 投加量對改性廢棄枯葉吸附硝酸鹽氮的影響

改性生物炭的投加量不同，對地下水中硝酸鹽氮的去除效果也不一樣，實驗分別投加0.05、0.1、0.15、0.2、0.3、0.5 g改性廢棄枯葉，反應上述最適時間，最終結果如圖3所示。當NO3-N濃度為83.17 mg/L時，投加量為0.1 g時，三種改性廢棄枯葉均達到最佳。投加量超過0.1 g去除率增幅較小，幾乎不變，則后續實驗投加量均選用0.1 g。當NO3-N濃度為27.72 mg/L時，當投加量為0.05 g時，NO3-N去除率均達到較大值，投加量超過0.05 g去除率增幅較小，甚至降低，則后續實驗投加量均選用0.05 g。

圖3 投加量對改性廢棄枯葉吸附硝酸鹽氮的影響

2.4 溫度對改性廢棄枯葉吸附硝酸鹽氮的影響

投加上述篩選出的最佳投加量，反應上述最佳反應時間，探究反應溫度為18、20、25、28、30及35 ℃時對地下水中硝酸鹽氮的吸附效果，具體結果如圖4所示。從圖中可以明顯看出，當NO3-N濃度為83.17 mg/L時，油桐在30 ℃下去除率達到最佳，銀杏在18 ℃下去除率達到最佳，懸鈴木在28 ℃下去除率達到最佳。當NO3-N濃度為27.72 mg/L時，油桐在28 ℃下去除率達到最佳，銀杏在28 ℃下去除率達到最佳，懸鈴木在28 ℃下去除率達到最佳。

圖4 溫度對改性廢棄枯葉吸附硝酸鹽氮的影響

2.5 改性三種廢棄枯葉的表征結果

2.5.1 表面結構

原始銀杏枯葉呈破碎片狀結構，表面粗糙，改性后可能由于季胺官能團支鏈的接枝，銀杏枯葉破碎片狀結構連接聚集形成大片狀，表面光滑平整；原始懸鈴木枯葉在未改性前呈條狀結構，表面粗糙且顆粒較多，在改性后懸鈴木枯葉表面呈大塊片狀結構，表面相對光滑平整，顆粒數量減小；原始油桐枯葉呈放射條狀分布，在改性后油桐條狀結構聚集形成表面不均勻、帶有凸起顆粒的大塊結構。由SEM的結果看來，三種枯葉在形態表征上發生明顯變化。

2.5.2 紅外光譜FTIR

銀杏枯葉中C-H、N=O、CO、C-CN、-TiO官能團在改性之后消失，CH2-在改性之后減少，C=N在改性之后增多；懸鈴木枯葉在在改性之后C-O-C、NO2官能團消失，CH3、-CH2減少，C=O、-CH2、C-NO2增多；油桐在改性之后CO、C-H、C=O官能團消失，CH=N官能團增加。銀杏、懸鈴木和油桐三種枯葉均有著豐富的官能團，改性前后官能團的新增、消失等現象也證明了官能團的變化，證明季銨基團的成功接枝。

3 結語

根據以上實驗數據分析可以得出，當水樣中的硝酸鹽氮濃度為83.17 mg/L時，硝酸鹽氮的最佳去除條件為：采用銀杏樹葉，在反應條件為5 min下，投加量為0.1 g，反應溫度為18 ℃條件下，去除率可高達98.31%。當水樣中的硝酸鹽氮濃度為27.72 mg/L時，硝酸鹽氮的最佳去除條件為：采用油桐樹葉，在反應條件為15 min下，投加量為0.05 g，反應溫度為28 ℃條件下，去除率可高達87.67%。