大孔樹脂NKA-II對雙酚A的吸附性能

湯 茜，溫福雪，遲 赫

（1.吉林師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 四平 136000；2.大連理工大學(xué) 化工與環(huán)境生命學(xué)部，遼寧 大連 116024）

雙酚A（BPA）為苯酚、丙酮的衍生物，是合成環(huán)氧樹脂、聚碳酸酯、增塑劑、阻燃劑及抗氧劑等的重要原料，廣泛存在于工業(yè)廢水和生活污水中［1-2］。BPA是一種激素類物質(zhì)，會影響人類和其他生物體的內(nèi)分泌行為，導(dǎo)致生殖、發(fā)育和行為異常［3-4］。因此，BPA污染的治理與受污染水體的修復(fù)已成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域中重要的研究課題。目前，BPA污染的治理方法主要有生物法、吸附法和高級氧化法等。吸附法是去除廢水中有機污染物最有效的方法之一［5］。大孔樹脂的吸附性能類似于活性炭，但比活性炭孔徑分布窄、機械強度高，容易脫附再生，在處理含酚、胺、有機酸、硝基化合物、鹵代烴等的廢水中已得到廣泛應(yīng)用［6］。

本工作采用大孔樹脂NKA-II吸附廢水中的BPA，對吸附過程的動力學(xué)、熱力學(xué)及樹脂的再生性能進行了研究，以期為采用大孔樹脂NKA-II去除環(huán)境水體中BPA的實際應(yīng)用提供實驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料、試劑和儀器

大孔樹脂NKA-II：工業(yè)一級品，天津南開和成科技有限公司；BPA：化學(xué)純；濃硫酸、氫氧化鈉、丙酮、鹽酸、乙醇：分析純。

PHS-3C型數(shù)字式酸度計：上海雷磁新涇儀器有限公司；BP210s型電子天平：賽多利斯儀器有限公司；722型紫外-可見分光光度計：沈陽斯瑞達儀器有限公司；202-1型電熱干燥箱：江蘇省東臺縣電器廠；DF-2型數(shù)顯電子恒溫水浴鍋：江蘇金壇市晶玻實驗儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 樹脂的預(yù)處理

取一定量的大孔樹脂NKA-II在索氏抽提器中用丙酮回流洗滌直至丙酮無色，以去除殘留在樹脂孔道中的有機物，然后用去離子水洗去丙酮，再用稀鹽酸溶液反復(fù)洗去樹脂表面沉積的雜質(zhì)，最后用去離子水洗滌至中性。將洗滌好的樹脂置于干燥箱內(nèi)，60 ℃左右烘干至恒重，放入干燥器內(nèi)備用。

1.2.2 不同pH條件下的吸附平衡實驗

稱取2 g經(jīng)過預(yù)處理的樹脂置于燒杯中，加入500 mL初始質(zhì)量濃度為50 mg/L的BPA溶液，用質(zhì)量分數(shù)為5%的稀硫酸或濃度為1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH分別為2.0，4.0，6.0，8.0，然后將燒杯置于恒溫水浴鍋中控制在298 K，攪拌并開始計時，攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min，吸附反應(yīng)180 min，每隔一段時間取樣，測定溶液中剩余BPA質(zhì)量濃度，并計算BPA的去除率。

1.2.3 吸附動力學(xué)實驗

稱取2 g經(jīng)過預(yù)處理的樹脂置于燒杯中，加入500 mL初始質(zhì)量濃度為50 mg/L的BPA溶液，將燒杯置于恒溫水浴鍋中控制在298 K，攪拌并開始計時，攪拌轉(zhuǎn)速為100 r/min，吸附反應(yīng)180 min，每隔一段時間取樣，測定溶液中剩余BPA質(zhì)量濃度，計算樹脂的BPA吸附量。

1.2.4 等溫吸附平衡實驗

稱取1 g經(jīng)過預(yù)處理的樹脂置于燒杯中，分別加入500 mL初始質(zhì)量濃度為5，10，20，50，80，100 mg/L的BPA溶液，將燒杯置于恒溫水浴鍋中，攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min，吸附開始后每隔一段時間取樣，測定溶液中剩余BPA質(zhì)量濃度，直至達到吸附平衡，得到吸附平衡濃度以及平衡吸附量。分別測定298，308，318 K的吸附平衡曲線。

1.2.5 樹脂的壽命及再生性能實驗

稱取2 g經(jīng)過預(yù)處理的樹脂置于燒杯中，加入500 mL 初始質(zhì)量濃度為50 mg/L的BPA溶液，將燒杯置于恒溫水浴鍋中控制在298 K，攪拌轉(zhuǎn)速200 r/min，吸附達到平衡后取樣測定溶液中剩余BPA質(zhì)量濃度，計算平衡吸附量。然后將樹脂取出烘干，再加入到500 mL初始質(zhì)量濃度為50 mg/L的BPA溶液中，重復(fù)上述步驟；重復(fù)多次，直至樹脂對溶液中BPA的去除率達60%，記錄樹脂使用次數(shù)。將吸附飽和的樹脂用濃度為1 mol/L 的NaOH溶液解吸完全，并用去離子水將樹脂清洗至中性，再生后重復(fù)進行吸附。

1.3 分析方法

采用紫外-可見分光光度計于276 nm處測定溶液的吸光度，根據(jù)BPA溶液的標(biāo)準曲線得到BPA的質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 初始溶液pH對BPA去除率的影響

在初始BPA質(zhì)量濃度為50 mg/L、吸附溫度為298 K、樹脂加入量為2 g的條件下，初始溶液pH對BPA去除率的影響見圖1。由圖1可見：當(dāng)初始溶液pH由2.0增加到6.0，吸附180 min時BPA去除率均達83.5%以上；當(dāng)初始溶液pH為8.0，吸附180 min時BPA去除率略有下降，為78.5%。這是因為BPA分子結(jié)構(gòu)中的兩個羥基在堿性條件下發(fā)生解離，BPA由分子態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子態(tài)而增強了電負性［7］，使得BPA與樹脂間的靜電斥力增大，導(dǎo)致BPA去除率下降?？紤]到BPA溶液呈弱酸性，pH為6.0左右，因此在下面的實驗中不需調(diào)節(jié)溶液pH。

圖1 初始溶液pH對BPA去除率的影響

2.2 吸附動力學(xué)

樹脂對BPA的吸附量隨吸附時間的變化情況見圖2。由圖2可見，在吸附開始的30 min內(nèi)，吸附量迅速增加，吸附時間為30 min時的吸附量達到了平衡吸附量的80%以上；隨著吸附時間的延長，吸附量緩慢增加；吸附時間為150 min時達到吸附平衡。

分別采用準一級、準二級吸附動力學(xué)模型［8］對BPA的吸附過程進行擬合，擬合方程和參數(shù)見表1。由表1可見，采用準二級動力學(xué)方程對吸附過程的擬合相關(guān)系數(shù)為0.999，可見，BPA在大孔樹脂NKA-II上的吸附過程可用準二級動力學(xué)方程很好地描述。

圖2 樹脂對BPA的吸附量隨吸附時間的變化情況

表1 吸附動力學(xué)擬合方程和參數(shù)

2.3 等溫吸附曲線

樹脂對BPA的等溫吸附曲線見圖3。由圖3可見，樹脂對BPA的平衡吸附量隨吸附溫度的升高略有增大，說明樹脂對BPA的吸附是吸熱反應(yīng)，升高溫度有利于吸附。分別采用Freundlich和Langmuir等溫吸附模型［9］對等溫吸附曲線進行擬合，擬合方程及參數(shù)見表2。由表2可見，F(xiàn)reundlich方程擬合的線性相關(guān)系數(shù)均大于0.98，高于Langmiur方程擬合的線性相關(guān)系數(shù)，因此大孔樹脂NKA-II對BPA的等溫吸附更符合Freundlich等溫吸附方程。Freundlich方程擬合結(jié)果表明：Kf隨吸附溫度升高而增大，一定范圍內(nèi)升高溫度有利于吸附；常數(shù)n均大于1，表明大孔樹脂NKA-II對BPA的吸附屬于優(yōu)惠吸附［10］。

圖3 樹脂對BPA的等溫吸附曲線

表2 Freundlich和Langmuir模型對等溫吸附曲線的擬合參數(shù)

2.4 吸附熱力學(xué)

根據(jù)Clapeyron-Clausius方程式［9］，選取5個平衡吸附量，計算出298，308，318 K下的ρe，以lnρe對1/T作圖，并進行線性擬合，可求出吸附焓變（ΔH）。不同平衡吸附量下的BPA吸附焓變見圖4。樹脂吸附BPA的熱力學(xué)參數(shù)見表3。由表3可見：ΔH＞0，表明樹脂對BPA的吸附為吸熱過程，提高吸附溫度有利于吸附過程的進行；ΔG＜0，且在-20～0 kJ/mol范圍內(nèi)，表明該吸附過程為可自發(fā)進行的物理吸附［11］；ΔS＞0，表明在BPA的吸附過程中同時存在著溶劑的解吸［11］。

2.5 樹脂的使用壽命及再生性能

吸附實驗結(jié)果表明，新樹脂的平衡吸附量為10.44 mg/g，再生5次的平衡吸附量仍為10.44 mg/g，再生10次的平衡吸附量為10.43 mg/g，再生20次的平衡吸附量仍為10.43 mg/g。樹脂不經(jīng)處理可反復(fù)多次使用，以BPA去除率60%為考核目標(biāo)，新樹脂可使用46次，再生5次的樹脂可使用45次，再生10次的樹脂可使用43次，再生20次的樹脂可使用42次?？梢娫摌渲哂辛己玫闹貜?fù)使用性能。

圖4 樹脂吸附BPA的吸附焓變

表3 樹脂吸附BPA的熱力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)論

a）采用大孔樹脂NKA-II吸附廢水中的BPA。BPA溶液呈弱酸性，不需調(diào)節(jié)溶液pH可直接進行吸附。BPA在大孔樹脂NKA-II上的吸附過程可用準二級動力學(xué)方程很好地描述。樹脂對BPA的吸附是吸熱反應(yīng)，升高溫度有利于吸附，樹脂對BPA的等溫吸附符合Freundlich等溫吸附方程，吸附過程可自發(fā)進行，屬于優(yōu)惠物理吸附。BPA的吸附過程中同時存在著溶劑的解吸。

b）大孔樹脂NKA-II具有良好的重復(fù)使用性能，新樹脂的平衡吸附量為10.44 mg/g，再生20次的后平衡吸附量仍為10.43 mg/g。以BPA去除率60%為考核目標(biāo)，新樹脂可使用46次，再生20次的樹脂可使用42次。

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