小麥秸稈及其纖維素的改性與吸附水體中Pb(Ⅱ)和As(Ⅴ)的機(jī)理研究.pdf

1、隨著世界人口的劇增和工業(yè)的迅速發(fā)展，水環(huán)境污染已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，特別是重金屬污染尤為嚴(yán)重。由于重金屬離子難降解、可在生物體內(nèi)積累、可通過(guò)生物鏈傳遞，所以重金屬離子污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅到水生生態(tài)系統(tǒng)和其他生物系統(tǒng)以及人類生命安全。吸附法因設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)一直是廢水處理研究的熱點(diǎn)，開(kāi)發(fā)高效、廉價(jià)、環(huán)境友好的吸附劑備受關(guān)注。
　　小麥秸稈是我國(guó)主要農(nóng)業(yè)廢棄物之一，其產(chǎn)量巨大。然而很大一部分小麥秸稈被直接焚燒或者廢

2、棄，既造成了資源的浪費(fèi)，又污染了環(huán)境。因此，探索有效的秸桿的資源化利用途徑具有十分重要的意義。如果能把成本低廉的小麥秸稈，通過(guò)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)改性，研制成性能良好的吸附劑，既為水體重金屬污染提供廉價(jià)、高效、環(huán)境友好的吸附劑，又為小麥秸稈的綜合利用開(kāi)辟了一條新途徑。
　　近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行改性研究，制得高效廉價(jià)的吸附劑，取得了一定的成果。然而，大多數(shù)秸稈的改性都是鏈接同一類活性基團(tuán)，只能吸附陽(yáng)離子或者陰離子。但污水成分十分復(fù)

3、雜，多含有不同電性的重金屬離子，載有單一活性基團(tuán)的吸附劑很難得到滿意的處理效果。有少數(shù)學(xué)者合成了兩性秸稈吸附劑用于污水的處理，取得了較好的效果。然而，這些兩性吸附劑多數(shù)都是通過(guò)單鏈的陰離子（簡(jiǎn)單的季銨鹽）和單鏈的陽(yáng)離子（氯乙酸）鏈接在秸稈上。只有當(dāng)活性基團(tuán)位置合適的時(shí)候，才能很好的對(duì)重金屬離子進(jìn)行吸附。我們?cè)O(shè)想，如果能夠?qū)⒕哂小般Q形”結(jié)構(gòu)的活性基團(tuán)鏈接到生物質(zhì)上，由于“鉗形”結(jié)構(gòu)可以更牢固的“抓取”水體中金屬離子，這種吸附劑將會(huì)更有利于

4、處理污染水體。
　　基于此研究思路，本研究設(shè)計(jì)合成了1種“鉗形”陽(yáng)離子試劑(IA)和1種“鉗形”陰離子試劑(IM)，并將其連接到小麥秸稈上，制成了陽(yáng)離子吸附劑WS-IA、陰離子吸附劑WS-IM和兩性吸附劑WS-IAIM;隨后，提取出小麥秸稈的纖維素(WSC)，以此為材料制備了兩性纖維素水凝膠WSC-IAIM-ECH;研究了這4種吸附材料對(duì)水體中Pb(Ⅱ)和As(Ⅴ)的吸附性能，主要結(jié)論如下:
　　(1)通過(guò)單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)

5、得到:WS-IA的最佳合成條件為NaOH11.4 mL g-1、反應(yīng)溫度82.3℃、反應(yīng)時(shí)間7.5 h、IA0.4 g g-1，在此條件下WS-IA對(duì)Pb(Ⅱ)的實(shí)際值吸附量為160.85士6.82 mg g-1，與預(yù)測(cè)值169.37 mg g-1接近。WS-IM的最佳合成條件為NaOH5.6 mL g-1、反應(yīng)溫度62.4℃、反應(yīng)時(shí)間5.7h、IM0.32 g g-1。該條件下，WS-IM對(duì)As(Ⅴ)的實(shí)際吸附量為27.13士0.87

6、 mg g-1，與預(yù)測(cè)值(26.41 mg g-1)相當(dāng);WS-IAIM的最佳合成條件。在最佳合成條件下:NaOH用量7mL g-1、反應(yīng)溫度64℃、反應(yīng)時(shí)間6h、IA用量0.33 g g-1的條件下。三種吸附劑的實(shí)際吸附量和與測(cè)試無(wú)顯著性差異，說(shuō)明獲得的吸附劑制備條件和吸附能力的量化模型準(zhǔn)確可靠。另外，以小麥秸稈纖維素(WSC)為原料，NaOH-尿素體系為溶劑，IA/IM為離子型改性劑，ECH作為交聯(lián)劑，一鍋法成功合成兩性纖維素水凝膠

7、WSC-IAIM-ECH。
　　(2)利用掃描電鏡(SEM)、Zeta表面電位、紅外光譜(IR)和X射線光電子能譜(XPS)技術(shù)，對(duì)合成的4種吸附材料進(jìn)行了表征，確證了所得材料的結(jié)構(gòu)的正確性。結(jié)果表明IA是以羧酸鈉的形式鏈接在吸附劑上，IM是以氯鹽的形式和吸附劑相連。
　　(3) WS-IA、WS-IM、WS-IMM和WS-IAIM-ECH對(duì)溶液中Pb(Ⅱ)和As(Ⅴ)的吸附量隨著吸附劑用量的增加、溫度的升高、吸附時(shí)間的延長(zhǎng)

8、而增大。4種吸附劑對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附量隨著溶液pH值的增加而增大;相反，對(duì)As(Ⅴ)的吸附隨著pH值的增大而減少。吸附等溫線研究表明，4種吸附劑對(duì)溶液中Pb(Ⅱ)和As(Ⅴ)吸附均符合Langmuir吸附等溫線方程。其中，WS-IA、WS-IAIM和WSC-IAIM-ECH對(duì)Pb(Ⅱ)的理論最大飽和吸附量分別為180.48 mg g-1、180.12 mg g-1和835.26 mg g-1;WS-IM、WS-IAIM和WSC-IAIM

9、-ECH對(duì)As(Ⅴ)的論最大飽和吸附量分別為28.36 mg g-1、27.48mg g-1和88.35mg g-1。吸附熱力學(xué)參數(shù)表明，該吸附是一個(gè)自發(fā)的吸熱過(guò)程。吸附動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，該吸附符合偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，說(shuō)明吸附過(guò)程是一個(gè)化學(xué)吸附過(guò)程。結(jié)合表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們推測(cè)這4種吸附Pb(Ⅱ)和As(Ⅴ)的吸附主要是一個(gè)離子交換過(guò)程。另外，重復(fù)使用實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這4種吸附劑使用5次后，吸附能力仍然可以保持在80％以上，證明它們的穩(wěn)定好，可