多微孔芐基木粉的制備及其對銅離子的吸附性能

楊瑤　譚曉燕

摘要將杉木粉進行芐基化改性反應，再經(jīng)高溫水蒸汽爆破處理制得多微孔芐基木粉，用紅外光譜、掃描電鏡對杉木粉改性前后的結(jié)構(gòu)進行了表征.以多微孔芐基木粉為吸附劑，用原子吸收光譜研究了體系初始pH值、銅離子濃度、吸附溫度和吸附時間等因素對銅離子的吸附效率.結(jié)果表明，多微孔芐基木粉對銅離子的吸附能力高于原木粉、脫脂木粉和芐基木粉；當溶液的pH值為4.0、銅離子濃度為40 mg/L、吸附溫度為40 ℃、吸附時間為45 min，多微孔芐基木粉質(zhì)量為溶液質(zhì)量的0.8%時，銅離子的去除率高達99%.

關(guān)鍵詞木材改性；芐基木粉；銅離子；原子吸收光譜；吸附

中圖分類號TQ35； X72； X131.2文獻標識碼A文章編號10002537（2015）01002805

木粉是木材工業(yè)中價格低廉的副產(chǎn)品，含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等.由于其分子結(jié)構(gòu)中含有羥基、醚基等含氧官能團，存在過渡孔或微孔，因而具有一定的吸附性能而被應用于天然產(chǎn)物的分離純化[1]、染料[2]、苯酚類物質(zhì)[3]以及重金屬離子的吸附與富集[45].然而木粉的孔徑較小，存在孔膜，且孔內(nèi)有一些膠狀物質(zhì)，導致其比表面積并不高，吸附能力較低，因此，有關(guān)它用于吸附的報道并不多.為提高木粉等生物質(zhì)材料的吸附效果，對其進行化學改性以改變其極性，或制成多孔材料以增加其比表面積來實現(xiàn)提高其吸附力是一種常用的方法[67].目前，對木粉的化學改性主要集中于通過木粉上的羥基氫連接更強的極性基團或配位基團，以增強其吸附能力，從而實現(xiàn)對溶液中金屬離子或有機物的吸附分離[811].然而，木粉經(jīng)改性（如乙酰化、芐基化和氰乙基化改性）后，因其親水性降低、疏水性增加，有利于吸附極性低的有機物[1213]，但木粉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)往往會出現(xiàn)一定程度的塌陷，使木粉原有的過渡孔或微孔變小[1415]，反而使比表面積減小而影響其吸附效率.因而需要通過某些手段對改性木粉進行造孔或擴孔來增加其比表面積，以提高其吸附能力.本研究以杉木粉為原料，通過芐基化反應獲得芐基改性木粉，然后經(jīng)高溫水蒸汽爆破處理獲得多微孔芐基木粉，探討多微孔芐基木粉對銅離子的吸附性能，為利用廢棄木粉等生物質(zhì)材料處理含Cu2+等重金屬離子廢水提供新的思路[16].

1實驗部分

1.1化學試劑、原料和儀器設備

化學試劑與原材料：氫氧化鈉、五水硫酸銅、氯化芐、甲苯和乙醇均為分析純；杉木粉為湖南產(chǎn).

儀器和設備：Nicolet Avatar330紅外光譜儀（美國熱電公司），TAS986原子吸收光譜儀（北京普析通用儀器有限責任公司），JSM6380LV掃描電鏡（日本電子公司），Bruker AMX400核磁共振儀（德國布魯克儀器有限公司），HS12P高溫高壓染色機（江蘇靖江市華泰染整設備有限公司），水浴恒溫振蕩器（金壇市良友實驗儀器廠）.

1.2多微孔芐基木粉的制備

1.2.1脫脂木粉和芐基木粉的制備[17]將干杉木粉過20目篩子，以V（苯）/V（乙醇）=1∶1的混合液為溶劑，用索氏提取器回流提取6 h，再用蒸餾水提取6 h，抽干后，在80 ℃鼓風干燥箱中干燥12 h，得脫脂杉木粉.

在帶有攪拌機、溫度計和回流裝置的250 mL的三口燒瓶中，加入20 g上述脫脂杉木粉、10 mol·L-1 的NaOH水溶液80 mL，攪拌均勻后讓其潤脹 30 min ，然后加入 80 mL 氯化芐和80 mL甲苯，攪拌下于125 ℃ 油浴中加熱反應4 h，冷卻并加入少量水，抽濾，分別用乙醇洗滌兩次，水洗滌兩次，再用乙醇洗滌兩次，抽干后在60 ℃下干燥至恒重，得芐基化杉木粉，簡稱“芐基木粉”，置于干燥器中備用.

木粉芐基化改性的化學反應式如下：

Wood—OH+CH2Cl+NaOHWood—O—CH2+H2O+NaCl

1.2.2水蒸汽爆破處理芐基木粉在高溫高壓染色機的不銹鋼杯中，加入200 mL水，0.5 mL表面活性劑OP10和20.0 g 芐基木粉，密閉后，以2 ℃·min-1升溫到120 ℃，進行水蒸汽爆破處理120 min.然后冷卻到室溫，倒出木粉，減壓抽濾，蒸餾水清洗2次，抽干，在55 ℃下真空干燥至恒重，得“多微孔芐基木粉”，保存于密閉塑料袋中，備用.

以脫脂木粉代替芐基木粉，按上述過程，同樣制得“爆破處理脫脂木粉”，備用.

1.3多微孔芐基木粉對銅離子的吸收試驗

取多微孔芐基木粉0.400 g于100 mL錐形瓶中，加入50.00 mL一定濃度的Cu2+溶液，調(diào)節(jié)搖床水溫至設定溫度，振蕩一定時間，進行吸附試驗，吸附完成后，冷卻到室溫，取樣用原子吸收光譜法對溶液中Cu2+的含量進行分析.

1.4原子吸收光譜分析

1.4.1分析測試條件用原子吸收光譜儀測定含銅離子溶液的吸光度，測試條件為：工作電流 3 mA，譜帶寬度 0.4 mm，負高壓300.0 V，燃氣流量1 500 mL·min-1，燃燒器高度6.0 mm，波長324.8 nm.

1.4.2銅離子標準溶液的配制和標準曲線的制作銅標準溶液配制：稱取0.982 0 g CuSO4·5H2O溶入少量蒸餾水中，加入5滴濃硫酸，冷卻后移入250 mL容量瓶，用蒸餾水定容得1 000 mg·L-1銅標準儲備液.

銅標準曲線制作：分別移取1.00，2.00，3.00，4.00，5.00 mL 20 mg·L-1銅標準溶液到5個100 mL容量瓶中，用蒸餾水定容，得濃度分別為 0.20，0.40，0.60，0.80，1.00 mg·L-1的銅標準系列溶液，測定它們的吸光度.以吸光度A為縱坐標，濃度C為橫坐標作圖，建立A～C關(guān)系曲線.

1.4.3樣品中銅離子濃度的測定移取吸附銅離子后的溶液1.00～5.00 mL，用蒸餾水定容到25 mL，測定其吸光度，在A～C標準曲線上查出相應的濃度，根據(jù)稀釋倍數(shù)計算樣品中銅離子濃度.