小麥秸稈羧甲基纖維素對結晶紫染料廢水的吸附研究

◎ 王 華，陶艷龍，張 琪，魏元春

（酒泉職業技術學院，甘肅 酒泉 735000）

我國力爭在2030 年前實現碳達峰，2060 年前實現碳中和，這樣的時代大背景賦予了秸稈資源新的歷史使命。秸稈綜合利用是推進節能減排的一項重要手段，農業農村減排固碳是實現碳達峰、碳中和的重要舉措。秸稈作為農作物收獲后剩余的重要生物資源，若不能合理利用，將對我國環境治理乃至碳中和的推進造成阻礙。

印染廢水來源及污染物成分十分復雜，具有水質變化大、有機物含量高、色度高等特點[1]，直接排放會對人類健康和生存環境帶來極大危害，同時也會造成水資源的浪費。隨著國家和社會對環境保護的日益重視和對可持續發展的要求，傳統的秸稈處理方法已越來越難以滿足生產和環保的需要[2]。結晶紫是三苯基甲烷類工業染料，具有高毒性、高殘留和致癌、致畸變、致突變等毒副作用[3]，美國、韓國、日本等許多國家在水產養殖業已嚴禁使用結晶紫。2018 年10 月12 日，歐盟發布歐盟法規（EU）2018/1513 修訂版，要求在服裝、紡織品和鞋類等日用消費品中限制使用包含結晶紫在內的33種CMR 物質[4]。

在印染廢水處理中，吸附法因成本低、操作簡便、無毒且吸附材料具有可再利用等優點，成為廢水凈化常用的方法[5]，目前已有研究者使用來源廣泛、可生物降解、無毒的農作廢棄物作為污水處理的原料[6]。纖維素屬于環境友好的可再生資源，其具有多孔結構、比表面積大且分子內含有一定量的親水性羥基，可以吸附有機物小分子和重金屬離子[7]。但天然纖維是由β-1，4-糖苷鍵組成的直鏈多糖，存在大量的羥基，致使在分子鏈間和分子鏈內部形成大量的氫鍵，氫鍵會影響反應活性。為了提高纖維素的吸附能力，必須對其進行化學改性，才能使其成為良好的吸附材料[8]。因此，為了提高纖維素的吸附性能，需在纖維素分子中引入具有特定吸附性能的官能團，改善吸附劑表面的性能，以此來增強其吸附能力[9]。

1 材料儀器與方法

1.1 試劑與儀器

試驗用試劑為N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、丙烯酸（AA）、氫氧化鈉、偶氮二異丁腈（AIBN）、結晶紫（CV），均為分析純；N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）CP，小麥秸稈取自甘肅酒泉。

UV-1800PC-DS2 紫外可見分光光度計、QQ-60LS 數顯增力攪拌器、2000C 多功能粉碎機、CS101-AB 型電熱鼓風干燥箱、FA2204C 型電子天平、PHS-3C 酸度計、HY-4 調速多用振蕩器、GL-2 型恒溫加熱磁力攪拌器。

1.2 小麥秸稈吸附劑制備

清洗收集的農業廢棄物小麥秸稈，晾干，放入多功能粉碎機進行粉碎、過篩，將粉碎后的小麥秸稈用20%的NaOH 溶液浸泡堿化、蒸煮3 h，用蒸餾水洗至中性，過濾，90 ℃下烘干。

稱取一定量的AIBN，放入帶有攪拌裝置的圓底瓶中，再加入25 mL 蒸餾水，升溫至65 ℃，然后加入羧甲基纖維素，充分攪拌后，滴加MBA、中和度50%的丙烯酸和NVP(乙烯吡咯烷酮），反應約4 h，得到小麥秸稈羧甲基纖維素吸附劑（WSCCA）。

1.3 標準儲備溶液的配制

精確稱取0.05 g 的CV，用95%乙醇溶液溶解，轉移到500 mL 容量瓶中，加蒸餾水定容至刻度線。配制成濃度為100 mg·L-1的CV 儲備溶液，備用。

1.4 結晶紫光譜曲線繪制

純化水為空白溶液調節儀器基線后，測定標準系列中溶液濃度為2.0 mg·L-1的結晶紫標準溶液的吸收光譜曲線。確定最大吸收波長為590 nm。

1.5 線性范圍

分別配制不同濃度的標準系列溶液進行分析（0.5 mg·L-1、1.0 mg·L-1、2.0 mg·L-1、5.0 mg·L-1、10.0 mg·L-1），以標準溶液的濃度為橫坐標，響應值為縱坐標，繪制標準曲線，得到標準系列溶液的線性回歸方程。結晶紫的線性方程和相關系數見表1。

表1 標準曲線的線性方程及相關系數表

1.6 染料的吸附試驗

準確移取一定濃度的結晶紫（CV）溶液50.00 mL置于250 mL 錐形瓶中，加入一定質量的小麥秸稈羧甲基纖維素吸附劑（WSCCA），以150 r·min-1的振蕩速度在振蕩器中進行吸附180 min，冷卻到室溫后過濾，在590 nm 波長下測定濾液的吸光度，計算WSCCA 對廢水中結晶紫的脫色率。

式中：PO、Pe分別為吸附前后染料的質量濃度。

2 結果與分析

2.1 初始CV 濃度對脫色率的影響

移取不同初始濃度的CV 溶液50 mL，置于250 mL的錐形瓶中，加50 mg WSCCA 吸附劑，25 ℃，pH=7， 振蕩速度150 r/min，吸附時間 20 min，CV初始濃度對其脫色率的影響如圖1 所示，由圖1 可見：脫色率隨CV 濃度的增大而升高，當結晶紫初始質量濃度增加到100 mg·L-1時，脫色率達到最大值，之后逐步下降。

圖1 初始CV 濃度對脫色率的影響圖

2.2 吸附劑用量

向質量濃度為100 mg·L-1的結晶紫溶液中加入不同質量的WSCCA 吸附劑，其他條件不變，得到結晶紫脫色率隨吸附劑用量變化的曲線，見圖2。由圖2 可見：隨著吸附劑用量的增加，結晶紫的脫色率顯著增加。在小麥秸稈吸附劑加入量為0.1g 時，脫色率可達98.8%，隨著吸附劑用量的增加結晶紫脫色率變化不明顯，因此，本次研究小麥秸稈吸附劑的用量為0.1 g。

圖2 吸附劑用量對脫色率的影響圖

2.3 吸附時間

取初始質量濃度為100 mg·L-1的CV 溶液50 mL于250 mL 的錐形瓶中，加入0.1 g 吸附劑，其他實驗條件同上，吸附時間對CV 脫色率的影響見圖3。由圖3 可見：脫色率隨時間的增長而升高，在60 min 時脫色率達到最大。因此，確定WSCCA 吸附劑去除結晶紫的最佳吸附時間為60 min。

圖3 吸附時間對脫色率的影響圖

2.4 溶液的pH

吸附劑用量為0.1 g，其他實驗條件同上。由圖4 可 見：當pH 在6 ～8 變 化 時，CV 去 除 率 在93%～98%變化。從實際操作方便考慮，不用再調節廢水溶液的pH，直接進行吸附實驗，溶液pH 呈堿性時，吸附劑表面呈負電性，廢水中的污染物解離后也顯示負電性，靜電斥力導致吸附效率降低。溶液pH 呈酸性時，吸附劑表面呈正電性，與帶正電荷的污染物也相互排斥。

圖4 溶液的pH 對脫色率的影響圖

3 結論

通過研究溶液的初始濃度、吸附劑用量、吸附時間、溶液pH 等因素，考察了WSCCA 吸附劑對結晶紫脫色的效果，結果表明：溶液的初始濃度為100 mg·L-1；吸附劑最佳投加量為0.1 g；吸附的平衡時間為60 min，弱堿性條件下有利于小麥秸稈吸附劑對結晶紫的吸附，在最佳吸附條件下，結晶紫的吸附去除率達98.5%；溫度對結晶紫吸附的影響不明顯。

目前，關于生物質吸附劑的研究比較淺顯，尤其對于不同類型的污染物吸附機理還不明確，并且在選擇性和專屬性兩方面無法權衡；農業廢棄物生物質的制備尚處于實驗室階段，同時對于吸附劑后期處理和循環使用方面研究比較欠缺。針對以上問題繼續開展深入研究，借鑒先進經驗，加強科技攻堅力度，開發高附加值秸稈工業化產品，是我國秸稈生物質能源產業走入資本市場的主要途徑，會真正成為我國碳中和發展的主要助力。