以甘蔗渣為原料的高吸水樹脂對Cr6+吸附性能的研究

吳海霞 李繼萍 付淵 王曉莉

摘要：為了探討以甘蔗渣為原料的高吸水樹脂對Cr6+吸附作用的影響因素及機理，研究了高吸水樹脂對Cr6+的動、靜態吸附性能，不同吸附時間、樹脂用量、離子濃度對樹脂吸附Cr6+的影響，并由掃描電鏡、透射線電鏡驗證了Cr6+在樹脂上的吸附。研究表明：延長吸附時間有利于提高樹脂的吸附效果;動態法吸附速率明顯高于靜態法;樹脂吸附Cr6+的量隨著溶液中Cr6+濃度的增加而增加;隨著高吸水樹脂用量的增加，對Cr6+的吸附量也增加;透射電鏡和掃描電鏡結果表明樹脂對Cr6+發生了吸附，吸附是通過表面吸附、網絡結構內部的束縛作用和官能團的絡合作用方式實現的。

關鍵詞：甘蔗渣 高吸水樹脂 Cr6+ 吸附性能

0 引言

近年來，隨著我國工業的迅速發展，在鉻鹽與鐵合金等行業中都需要有大量的含鉻礦物，并會產生許多含鉻廢水，這些廢水中的鉻元素多是以毒性較大的Cr6+存在的，對自然環境與人體健康都會造成極大的危害。目前，對含鉻廢水的處理工藝集中為化學沉淀法、膜分離法、電滲析法、溶劑萃取法、電解法、吸附法[1]等多類方法。其中吸附法具有經濟性好、操作簡單的優勢，在含鉻廢水處理工藝中正得到了廣泛的應用。1973年，Swanson等[2]首次合成可溶性淀粉黃原酸酯并把其用于水中重金屬離子的吸附，該法具有沉降速度快，易分離，無需進行預處理，適用pH值范圍廣等特點。但目前工業所用吸附劑價格較高，加上吸附劑再生與二次污染等，導致吸附法的應用難以推廣。因此，研究開發廉價高效的吸附劑具有重要意義。

我國是主要甘蔗種植國，每年甘蔗產量超過7×107t，甘蔗廢渣產量超過7×107t 從制糖廠排出，占據大量土地，也造成了環境污染。2017年，王銳剛等[3]首次報道了采用甘蔗渣吸附法去除水中的鉻離子，考查了pH、甘蔗渣用量、粒徑、鉻初始濃度等對鉻去除的影響及甘蔗渣去除鉻的動力學，為甘蔗渣用于含鉻廢水處理提供了依據。由于甘蔗渣纖維素分子內和分子間存在氫鍵，所以它不溶于熱水也不溶于冷水，使其應用受到局限。

高吸水樹脂對重金屬離子的吸附、螯合能力都很強，可以很方便的用于處理污水中重金屬離子，并且高吸水樹脂可以再生、反復使用，所以高吸水樹脂對于冶金、工礦污水、電鍍廢水等的處理具有重要的應用價值[4]。本文主要研究以甘蔗渣為原料合成的高吸水樹脂對Cr6+的吸附能力及其影響因素，以期為高吸水樹脂應用于廢水中重金屬離子的去除提供參考。

1 實驗部分

1.1主要原料與試劑

甘蔗渣（自制）;丙烯酸（分析純）;氫氧化鈉（分析純）;過硫酸鉀（分析純）;亞硫酸氫鈉（分析純）;N′N′-亞甲基雙丙烯酰胺（分析純）。

1.2主要儀器設備

電子分析天平;鼓風干燥箱;HITACHI S-3400N 掃描電子顯微鏡;FEI tecmai F20場發射透射電子顯微鏡;AA7000原子吸收光譜儀。

1.3以甘蔗渣為原料的高吸水樹脂的合成[5-6]

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高吸水樹脂吸附重金屬離子Cr6+的測試方法

配制一定體積、一定離子濃度的Cr6+離子溶液，原子吸收光譜儀標定其離子濃度;然后，稱取一定量的高吸水樹脂置于上述溶液中，一定時間后過濾吸附后的高吸水樹脂，測定剩余液體體積;原子吸收光譜儀測定吸附后液體的Cr6+離子濃度，通過下式計算高吸水樹脂對重金屬離子的吸附量：

式中：Q—高吸水樹脂對重金屬離子的吸附量，mg/g;C0—初始溶液中重金屬離子的濃度，mg /L;Ce—吸附后溶液中重金屬離子的濃度，mg /L;V—含有重金屬離子溶液的體積，ml;m—吸附前高吸水樹脂的質量，g。

2 結果與討論

2.1 吸附時間對Cr6+吸附量的影響

稱取一定量高吸水樹脂置于濃度為5mg/L的Cr6+溶液中，在靜態條件下測定不同吸附時間下高吸水樹脂對Cr6+的吸附量，結果如圖1。

高吸水樹脂在靜態條件下對Cr6+的吸附量結果如圖所示。由圖可知，隨著吸附時間的延長，吸附量呈上升趨勢，延長吸附時間有利于提高吸附效果。

2.2 動靜態條件對Cr6+吸附量的影響

稱取一定量高吸水樹脂置于濃度為5mg/L的Cr6+溶液中，分別采用靜態法、動態法測定高吸水樹脂對Cr6+的吸附量，結果如圖1，圖2所示。

對比圖1和2可知，動態法對Cr6+的吸附量及吸附速率明顯高于靜態法。這是因為在攪拌條件下，樹脂顆粒易與Cr6+溶液接觸，Cr6+溶液與樹脂網絡內部的基團也容易發生反應，同時Cr6+溶液與樹脂表面接觸的物理吸附速度也會相應加快，所以采用動態法吸附可以縮短吸附時間。

2.3 初始濃度對Cr6+吸附量的影響

稱取一定量高吸水樹脂分別置于濃度為3mg/L、5mg/L、8mg/L、10mg/L、15mg/L的Cr6+溶液中，攪拌30min，測量高吸水樹脂對不同濃度Cr6+溶液的吸附量，結果如圖3所示。

由圖3可知，吸附量隨著Cr6+溶液濃度的升高而升高。這可能是因為溶液中離子濃度越高，樹脂表面接觸到的離子數目越多，由于氫鍵作用，使得表面吸附量增加。

2.4樹脂用量對Cr6+吸附量的影響

分別稱取質量為0.01g、0.02g、0.03g、0.04g、0.05g的高吸水樹脂置于5mg/L的Cr6+溶液中，攪拌30min，測量不同用量的高吸水樹脂對Cr6+溶液的吸附量，結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著高吸水樹脂用量的增加，高吸水樹脂對Cr6+的吸附量也增加。根據質量作用定律，初始質量大的高吸水樹脂，對Cr6+的吸附量也高。

2.5掃描電鏡表征

選取高吸水樹脂和吸附Cr6+后的樹脂進行掃描電鏡分析，得到下圖5（a）、（b），圖6。

圖5（a）、（b）分別是高吸水樹脂吸附Cr6+前、后的掃描電鏡圖。對比二者可以發現吸附Cr6+的樹脂表面上明顯有了新物質，且嵌入到樹脂網絡結構內部。結合圖6的掃描電鏡能譜對Cr有吸收峰，證明高吸水樹脂對Cr6+的吸附并有較好的吸附容量，這可能是由于Cr6+與樹脂表面的羧基和羥基等基團發生了絡合或螯合作用。

2.6透射電鏡表征

選取高吸水樹脂和吸附Cr6+后的樹脂進行透射電鏡分析，得到下圖7（a）、（b）。

圖7（a）、（b）分別是高吸水樹脂吸附Cr6+前、后的透射電鏡圖。對比二者可以發現合成的高吸水樹脂有類似蜂窩狀的形狀，這是由高吸水樹脂表面多孔經透射后呈現出來的，這也說明合成的高吸水樹脂表面經接枝聚合和交聯后形成了復雜的三維多孔的網絡結構。吸附Cr6+的樹脂表面可以看到有許多孔狀結構，而且出現了明顯的晶格條紋，這說明高吸水樹脂對Cr6+有吸附。

3 結論

通過以醚化改性甘蔗渣為原料的高吸水樹脂對重金屬離子Cr6+吸附性能研究，結果表明：隨著吸附時間的延長，樹脂吸附量呈上升趨勢，延長吸附時間有利于提高樹脂的吸附效果;通過對高吸水樹脂吸附Cr6+的動靜態法分析，發現動態法吸附所需時間短，吸附量高;樹脂吸附Cr6+的量隨著溶液中Cr6+濃度的增加而增加;通過對不同用量的高吸水樹脂對Cr6+溶液的吸附量得出樹脂吸附量隨著樹脂用量的增加而增加;掃面電鏡和透射電鏡表征表明，樹脂對Cr6+發生了吸附，吸附是通過表面吸附、網絡結構內部的束縛作用和官能團的絡合作用方式實現的。

參考文獻

[1]賈明暢，王海超.含Cr6+廢水處理技術研究進展 [J].中國高新技術企業，2016，34（56）： 114-115.

[2]Swanson C L.，Wing R E.，Doane W M.Removal of heavy metal ions from wastewater[P].US3947354，1976.

[3]王銳剛，陳航鋒.甘蔗渣吸附廢水中的鉻離子的研究[J].水處理技術，2017，43 （11）： 77-79.

[4]Yasemin Buluta，Gulten Akcay，Duygu Elma，etc. Synthesis of clay-based superabsorbent composite and its sorption capability. Journal of Hazardous Materials，2009（171），717-723

[5]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

[6]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-），女，漢族，山西朔州人，副教授，主要研究方向為有機合成，分析化學

李繼萍 付淵 王曉莉 主要研究方向為有機合成，分析化學