基于綠色化學策略的以甘蔗渣為原料的高吸水樹脂的合成及其對Pb2+離子脫附性能的研究

吳海霞 李繼萍 付淵 王曉莉 王玉蘭

摘要：綠色原料、綠色試劑、低耗低溫反應條件、有害物質處理、綠色可降解低污染化學產品、避免二次污染、廢物利用等是綠色化學的主要研究內容。以可再生農業廢棄物甘蔗渣為主要原料，經醚化改性，與無毒單體丙烯酸，在價低效高、無毒、過程易控的過硫酸鉀引發劑作用下聚合制備了一種高吸水樹脂。通過紅外光譜、元素分析、掃描電鏡對此高吸水樹脂進行了表征，并初步研究了該高吸水樹脂對Pb2+的脫附性能。結果表明：甘蔗渣經醚化改性后與丙烯酸發生聚合反生成了高吸水樹脂，該高吸水樹脂在酸性溶液中對Pb2+離子有脫附作用。

關鍵詞：綠色化學 ?甘蔗渣 ?高吸水樹脂 ?Pb2+離子

中圖分類號：O636.9 ? ? 文獻標識碼：A

引言

綠色化學是環境友好化學、清潔化學，它是全球環境危機下產生的新興化學領域。自1991年美國化學會首次提出綠色化學概念以來，獲得了迅速的發展。其研究領域包括綠色原料、綠色試劑、低耗低溫反應條件、綠色可降解低污染化學產品、污染物處理、綠色合成技術、有害物質監控、廢棄物質利用等多個方面[1]。

近年來，工業廢水中重金屬污染對生態環境及人類健康造成了極大威脅。高吸水樹脂中含有大量的羥基、羧基、磺酸基和酰胺基，這些基團對重金屬離子有很強的螯合作用。因此，高吸水樹脂可以用作金屬離子的螯合劑，對金屬離子進行富集、分離和回收[2-3]。Pb是危害最大的重金屬之一，Pb2+在活細胞中累積會破壞許多蛋白質的代謝功能。廢水中Pb2+傳統的處理方法主要有：沉淀法、溶劑萃取法、離子交換法等，但這些方法成本較高、效果不穩定、容易產生二次污染[4]。高吸水樹脂作為一種新型功能高分子材料，在重金屬離子的吸附方面有一系列特殊功能，且高效、價格低廉，具有巨大的開發潛力[5]。甘蔗渣是可再生的農業廢棄物，廉價易得，是巨大的綠色資源寶庫。利用甘蔗渣及其衍生物產品合成高吸水樹脂，吸附處理低濃度重金屬廢水效果好、成本低、不造成二次污染，近年來引起國內外學者的廣泛關注[6]。

本文以可再生農業廢棄物甘蔗渣為原料合成了一種高吸水樹脂。研究中關注使用原料、綠色試劑、低耗合成、避免二次污染等綠色化學問題。如選用的單體丙烯酸，無毒，接枝聚合物不需要皂化水解，能簡化合成工藝;選用無毒、價格低廉的過硫酸鉀作引發劑，不但引發效率高、重現性好，而且在反應過程中無溫度的劇烈變化，反應平穩，易于控制。如何使金屬從吸附劑上脫附并再生吸附劑是水處理中十分重要的一個環節，它可使吸附劑得以重復利用并能回收重金屬，避免二次污染。論文初步研究了高吸水樹脂對Pb2+離子的脫附性能，以期為拓展高吸水樹脂的應用領域和廢水中重金屬離子的研究提供參考。

1 實驗部分

1.1主要原料與試劑

丙烯酸，氫氧化鈉，過硫酸鉀，亞硫酸氫鈉，N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺，上述試劑均為分析純;甘蔗渣，自制。

1.2主要儀器設備

電子分析天平，電動攪拌器，數顯恒溫水浴鍋，鼓風干燥箱，元素分析儀，紅外光譜儀，（KBr壓片），掃描電子顯微鏡;原子吸收光譜儀。

1.3以蔗渣為原料的高吸水樹脂的合成[7-8]

以甘蔗渣為主要原料、水為溶劑進行醚化改性;在裝有電動攪拌的100ml三口燒瓶中加入一定量的醚化改性甘蔗渣，加去離子水，攪拌混合均勻;加入丙烯酸、過硫酸鉀、N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺，室溫下攪拌混合均勻;氮氣保護下水浴逐漸升溫加熱，使醚化改性甘蔗渣纖維素與丙烯酸反應至溶液粘稠，停止攪拌;繼續升溫，反應物在沸水浴中保溫約2h;將產物取出剪成小塊置于表面皿中于60℃烘箱中烘干得固體產品;將其粉粹后即得高吸水樹脂。

1.4 高吸水樹脂脫附Pb2+離子的測試方法

配制pH=1的醋酸、鹽酸、硫酸溶液作為Pb2+離子的脫附劑。將吸附Pb2+離子后的樹脂放到脫附劑中，根據下式計算脫附率。

脫附率%= [（Cd×Vd ）/（w×qe1000）]×100

式中Cd為脫附后溶液濃度，mg /L;Vd為脫附溶液體積，ml;w為高吸水樹脂質量，g;qe為高吸水樹脂的吸附量，mg/g。

2 結果與討論

2.1 高吸水樹脂的結構表征

對合成的高吸水樹脂做了如下表征：紅外光譜（IR）、元素分析、掃描電鏡。

2.1.1紅外光譜（IR）

對高吸水樹脂進行了紅外光譜分析，見圖1。

由圖1可知：在2500-3500cm-1處有寬鋒，說明是羧酸中羥基O-H的伸縮振動; 2926cm-1左右的是-CH3和-CH2-中C-H伸縮振動吸收峰;在1630cm-1左右-COO-的不對稱伸縮振動吸收峰;1401 cm-1左右的O-H和C-H面內彎曲振動吸收峰;1050-1150cm-1左右的吸收峰是伯、仲醇C-O的伸縮振動和醚鍵C-O-C的不對稱伸縮振動吸收峰;600-1000cm-1是C-H面外彎曲振動吸收峰。紅外譜圖證明甘蔗渣經醚化改性后與丙烯酸發生了聚合反應。

2.1.2元素分析

經Vario EL cube型元素分析儀測定，高吸水樹脂的C、H元素含量分別為36.25%，4.273%。

2.1.3掃描電鏡

醚化改性甘蔗渣不同放大倍數的掃描電鏡圖如圖2。

由圖2可知，高吸水樹脂的表面不平整并且有大量皺褶、形態均不規則、含有類似空洞和管狀的結構，這些都說明高吸水樹脂具有比表面積大、相互交聯的網絡結構。

2.2高吸水樹脂對Pb2+離子的脫附性能

分別稱取一定質量吸附Pb2+溶液后的高吸水樹脂，依次放入裝有pH=1的醋酸、鹽酸、硫酸脫附劑的燒杯中，測試高吸水樹脂對Pb2+離子的脫附性能。結果為高吸水樹脂在三種溶液中對Pb2+離子的脫附率依次為1.80%，4.80%，4.25%，Pb2+離子均發生了脫附作用，在鹽酸中的脫附性能最好。

3 結論

以可再生農業廢棄物甘蔗渣為主要原料，經醚化改性，以無毒丙烯酸為單體，在價格低廉、沒有毒性的過硫酸鉀引發劑的作用下聚合生成了一種高吸水樹脂。通過紅外光譜、元素分析、掃描電鏡對此高吸水樹脂進行了表征，并對該高吸水樹脂對Pb2+的吸附性能進行了初步研究。結果表明：甘蔗渣經醚化改性后與丙烯酸聚合生成高吸水樹脂，該高吸水樹脂在酸性溶液中對Pb2+離子有脫附作用。

參考文獻

[1]王敏，宋志國等.綠色化化工技術[M].北京：化學工業出版社，2017

[2]鄒新禧.超強吸水劑（第二版）[M].北京：化學工業出版社，2002

[3]VELI S，ALYUZ B. Adsorption of copper and zinc from aqueous so-lutions by using natural clay[J].Journal of Hazardous Materials，2007，149（ 1）：226-233.

[4]王路星，周新濤，羅中秋等.農林廢棄物吸附廢水中重金屬Pb2+的性能及機理研究進展[J].材料導報，2020，34（9）：17115-17123

[5]余響林，胡正杰，程冬炳等.高吸水樹脂對重金屬鹽溶液的吸液及吸附性能[J].湖北大學學報（自然科學版），2011，33（4）：528-532

[6]熊佰煉，張進忠，刑賾.甘蔗渣處理重金屬廢水的研究進展[J].中國資源綜合利用，2008，26（8）：19-22

[7]以甘蔗渣為原料制備羧甲基纖維素的方法[P].溫國華，李茹，李繼萍，柳青，陳超，郭玉婷，王佳鈺，苗秀秀，付淵，藺劍波，趙紅霞.中國專利：CN104163895A，2014-11-26

[8]以羧甲基甘蔗渣制備高吸水樹脂的方法[P].溫國華，郭玉婷，楊永啟，馮凱，劉廣華，韓宗壯，王晨雪，胡振華，巴音其木格，王丹，孫萌.中國專利：CN104163895A，2014-11-26

基金項目：內蒙古自治區高等學校科學技術研究項目（項目編號：NJZY18279）。

作者簡介：吳海霞（1978-），山西省朔州人，碩士研究生，研究方向為有機合成，分析化學。