聚糠醛吸附亞甲基藍(lán)的研究

（沈陽建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168）

聚糠醛吸附亞甲基藍(lán)的研究

宛 美，許 峰，馬健巖，王麗娟

（沈陽建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168）

通過聚糠醛吸附亞甲基藍(lán)水溶液，從兩個(gè)方面研究了聚糠醛對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附性能的影響因素，一方面是在制備聚糠醛過程中加入不同的硫酸量，另一方面是聚糠醛在不同的溫度下進(jìn)行煅燒。通過記錄的吸附數(shù)據(jù)建立亞甲基藍(lán)吸附量Q與加入不同硫酸量樣品隨時(shí)間t的變化關(guān)系并繪制成圖。通過分析，結(jié)果表明加入硫酸量為50 mL制備的聚糠醛吸附亞甲基藍(lán)的性能較好；在300 ℃煅燒下，聚糠醛吸附亞甲基藍(lán)的性能較好。

聚糠醛；亞甲基藍(lán)；吸附；

隨著人們生活水平的不斷提高，科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)石油、煤炭、天然氣等不可再生資源的消耗也越來越大，然而在這些不可再生資源消耗的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的廢棄物、污染物，大氣污染、水體污染、固體廢棄物污染、生物污染、土壤污染等等環(huán)境污染問題也隨之而來。在這些污染中，水體污染問題尤為突出，然而水是人類的生命之源，解決水體污染問題已是一個(gè)亟待解決的問題。在現(xiàn)階段，常用的方法有絮凝、過濾、吸附、離子交換等方法。而吸附法是最常見的，此方法最常用的吸附劑有活性炭、分子篩、沸石、膨潤土等無機(jī)材料。但這些材料有生產(chǎn)成本高、消耗量大等等在實(shí)際應(yīng)用方面的缺點(diǎn)，使其在生產(chǎn)使用過程中受到了一定的約束[1-4]。

糠醛的生產(chǎn)以富含多縮戊糖的干蔗渣、玉米芯、稻殼等可再生的農(nóng)林作物為原料,具有取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)，可稱作綠色環(huán)保材料。通過硫酸法可將糠醛聚合成聚糠醛，它是高分子材料，與無機(jī)材料相比，高分子材料能夠更好的與吸附質(zhì)相結(jié)合，從而起到更好的吸附效果。所以用聚糠醛作為吸附劑克服了傳統(tǒng)吸附劑的缺陷，有著更好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)這也為拓寬糠醛的應(yīng)用領(lǐng)域提供了一條新的途徑[5-10]。

本文以亞甲基藍(lán)為研究對(duì)象，應(yīng)用聚糠醛對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附脫色進(jìn)行研究，來模擬聚糠醛對(duì)染料污水的吸附作用，探索聚糠醛作為處理染料污水的一種新型吸附劑的可行性[11-16]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚糠醛對(duì)亞甲基藍(lán)具有較好的吸附性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：糠醛(分析純化學(xué)試劑)，濃硫酸（10 mL/L）(分析純化學(xué)試劑)，亞甲基藍(lán)(分析純化學(xué)試劑)，蒸餾水。

實(shí)驗(yàn)儀器：真空抽濾器，恒溫電動(dòng)磁力攪拌器，800型離心機(jī)，分光光度計(jì)，高溫爐，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 在制備聚糠醛過程中加入不同量的硫酸

將一100 mL燒杯置于恒溫電動(dòng)磁力攪拌器上，加入10 mL糠醛，并放入一轉(zhuǎn)子，在已固定在鐵架臺(tái)上的分液漏斗中分別依次加入50、37.5、30、20 mL配制好的10 mL/L的硫酸，靜置24 h后，用蒸餾水和無水乙醇洗滌至中性，放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（60 ℃）烘干，用瑪瑙研缽研磨成粉末狀，即制得4個(gè)不同的聚糠醛樣品。

1.2.2 制備的不同的聚糠醛樣品在不同溫度下進(jìn)行煅燒

將上一步驟中制備的4個(gè)聚糠醛樣品分別在200、300、350 ℃高溫爐中煅燒3 h。

1.2.3 亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

（1）制備100 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液：在100 mL燒杯中裝入少量蒸餾水，用天平稱取0.1 g亞甲基藍(lán)粉末，再將其倒入燒杯中溶解，然后再將其移入到1 000 mL的容量瓶中，加入蒸餾水稀釋，直至1 000 mL標(biāo)線。

（2）在100 mL容量瓶中用移液管分別移入5、10、20、30、40 mL亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液，再用蒸餾水將其全部稀釋至100 mL標(biāo)線處，順指針（或逆時(shí)針）方向搖勻，再另外準(zhǔn)備一只100 mL容量瓶裝入蒸餾水至標(biāo)線處，將分光光度計(jì)調(diào)制波長為664 nm處，用1 cm比色皿測(cè)定吸光度，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(表1，圖1)。

表1 亞甲基藍(lán)濃度與吸光度Table 1 Methylene blue concentration and absorbance

圖1 亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Methylene blue standard curve

1.2.4 吸附試驗(yàn)

在室溫下，稱取50.0 mg的樣品與100 mL的燒杯中，用移液管量取50 mL濃度為10 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液與樣品均勻混合，并將燒杯置于恒溫磁力攪拌器上不斷攪拌，每10 min取樣用離心機(jī)離心后，取其上清液測(cè)定吸附后亞甲基藍(lán)溶液的吸光度。按式（1）計(jì)算比吸附量Q。

式中：C0，Ct— 分別為亞甲基藍(lán)的初始和吸附后的質(zhì)量濃度，mg/L；

V — 亞甲基藍(lán)溶液的體積，mL；

m — 樣品質(zhì)量，g。

1.2.5 吸附動(dòng)力學(xué)研究

根據(jù)1.2.4實(shí)驗(yàn)中計(jì)算得出的吸附量Q，繪制時(shí)間t與吸附量Q的對(duì)數(shù)（ln）曲線，從而得出吸附動(dòng)力學(xué)曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫酸加入量對(duì)聚糠醛吸附性能的影響

圖2 亞甲基藍(lán)吸附量Q與加入不同硫酸量樣品隨時(shí)間t的變化關(guān)系Fig.2 Change of methylene blue adsorption quantity Q with sulfuric acid dosage over time t

按實(shí)驗(yàn)方法1.2.4進(jìn)行操作，將記錄的數(shù)據(jù)按照未經(jīng)煅燒（圖1）、煅燒300 ℃（圖2）、350 ℃（圖3）、200 ℃（圖4）分成4組，繪制成吸附量Q與硫酸加入量隨時(shí)間t的變化關(guān)系圖。圖1中，4個(gè)樣品都隨著時(shí)間t增加吸附量Q不斷增加，后達(dá)到吸附平衡，而50 mL樣品吸附量最大，吸附量Q大致在238 mg左右。圖2中，4個(gè)樣品隨著時(shí)間t的增加吸附量Q先增加后有所減少，但一直維持在230 mg左右。圖3中，50 mL和37.5 mL樣品在10 min以后，隨著時(shí)間t的增加吸附量Q先是有細(xì)微的下降趨勢(shì)但后達(dá)到吸附平衡，吸附量Q穩(wěn)定在230 mg左右。圖4中，除20 mL樣品外，其它3個(gè)樣品都處于上升趨勢(shì)后達(dá)到吸附平衡，但只有50 mL樣品的吸附量Q一直在220 mg以上，最后達(dá)到吸附平衡，吸附量Q為229 mg左右。綜上所述，硫酸加入量為50 mL制得的聚糠醛吸附效果最好。曲線會(huì)出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)是由于剛開始吸附時(shí)，吸附劑的表面基本都是空著的，吸附量Q會(huì)不斷增加，隨著吸附反應(yīng)的進(jìn)行，吸附量Q達(dá)到一定程度，此時(shí)吸附劑表面的空穴大部分已被占據(jù)，甚至?xí)尫乓恍┪劫|(zhì)，所以吸附量Q會(huì)有所下降。加入硫酸量50 mL制得的聚糠醛樣品最好是因?yàn)榧尤?0 mL硫酸時(shí)，10 mL的糠醛試劑能夠完全聚合，剩余的硫酸作為催化劑加快了聚合反應(yīng)的進(jìn)行并使反應(yīng)進(jìn)行的更完全。

2.2 溫度對(duì)聚糠醛吸附性能的影響

由以上4張圖可見，只有圖2中4個(gè)樣品的吸附量Q一直處于180 mg以上，吸附平衡時(shí)，吸附量都在230 mg左右。因此在300 ℃高溫下進(jìn)行煅燒制得的聚糠醛吸附性能比較好。這主要是因?yàn)橥ㄟ^高溫?zé)?，聚糠醛表面形成大小不同的孔隙，并且孔隙表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不完整性，而在300 ℃時(shí)，聚糠醛的不飽和鍵完全斷裂，聚糠醛有最大的孔隙率，聚糠醛內(nèi)部的孔隙有較大的比表面積對(duì)亞甲基藍(lán)進(jìn)行吸附，隨著時(shí)間的推移，這些孔隙對(duì)吸附質(zhì)的吸附逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，吸附質(zhì)很難被吸附到聚糠醛表面上，吸附量也開始減小，最終達(dá)到吸附平衡。而溫度高于300 ℃，樣品出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，所以吸附量Q會(huì)大大下降如圖2；溫度低于300 ℃，聚糠醛中的不飽和鍵不能夠完全斷裂，孔隙率很低，糠醛內(nèi)部的比表面積也較小，所以對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量Q也較小。

2.3 降解動(dòng)力學(xué)研究與分析

從以上4個(gè)圖可以看出聚糠醛對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附作用分為兩個(gè)階段，0～10 min內(nèi)，聚糠醛與亞甲基藍(lán)剛剛接觸，這時(shí)為快速吸附過程；10 min以后，吸附速度大大下降，最后趨于吸附平衡。聚糠醛對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附作用，參照Lagergren吸附方程。

Lagergren一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程表達(dá)式：

Lagergren二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程表達(dá)式：

式中：Qt— 任意時(shí)刻t吸附量，mg/g；

Qe— 平衡吸附量，mg/g；

k1— 一級(jí)吸附速率常數(shù)，g/mg-1min-1；

k2— 二級(jí)吸附速率常數(shù)，g/mg-1min-1；

t — 吸附時(shí)間，min。

表2中是在不同條件下，聚糠醛吸附亞甲基藍(lán)的動(dòng)力學(xué)描述，不難看出，一級(jí)線性擬合時(shí)，相關(guān)系數(shù)R12值都在0.90附近；而二級(jí)線性擬合時(shí)，相關(guān)系數(shù)R22值都在0.97附近，接近于1，所以二級(jí)方程的線性相關(guān)性更好。即二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能更好的描述出聚糠醛對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附行為。

表2 吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合Table 2 Adsorption kinetic parameters fitting

3 結(jié) 論

加入硫酸量為50 mL制得的聚糠醛吸附亞甲基藍(lán)的性能比加入其它硫酸量制得的聚糠醛吸附亞甲基藍(lán)的性能要好; 300 ℃高溫下進(jìn)行煅燒制得的聚糠醛吸附亞甲基藍(lán)比在其他溫度下和未經(jīng)煅燒制得的聚糠醛吸附亞甲基藍(lán)的性能要好。

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Research on Adsorption Performance of Poly Furfural for Methylene Blue

WAN Mei, XU Feng, MA Jian-yan, WANG Li-juan
（School of Materials Science and Engineering, Shenyang Jianzhu University, Liaoning Shenyang 110168，China）

Factors affecting adsorption performance of poly furfural for methylene blue were studied from two aspects including sulfuric acid dosage in the preparation process of poly furfural and calcination temperature of poly furfural. By recording the adsorption data, change relationship between methylene blue adsorption quantity Q with adding sulfuric acid dosage over time was established. The analysis results show that，when sulfuric acid dosage is 50 mL and calcination temperature of poly furfural is at 300 ℃，adsorption performance of prepared poly furfural for methylene blue is the best.

Poly furfural; Methylene blue; Adsorption

TQ 215

： A

： 1671-0460（2014）04-0506-03

2013-11-07

宛美（1988-），女，遼寧沈陽人，碩士，2014年畢業(yè)于沈陽建筑大學(xué)，研究方向：高分子功能材料。E-mail：wanmeiperfect@126.com。