磁性球形改性纖維素的制備及應(yīng)用

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磁性球形改性纖維素的制備及應(yīng)用

劉心中1，孫 佳2，黃永捷2，李舒帆1，盧偉帥1，黃婉瑜1

（1.福建工程學(xué)院生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，福州 350108；2.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福州 350108）

摘 要:通過(guò)添加凹土和硅溶膠，結(jié)合成型技術(shù)制備粒徑為3～5mm材料，應(yīng)用于土壤中鎘污染的修復(fù)，最佳吸附條件：土壤含水率為20%，pH值為5，磁性球形改性纖維素的添加量為7.5%，吸附時(shí)間10d，對(duì)污染土壤中Cd的去除率達(dá)75.01%。

關(guān)鍵詞:土壤污染；磁性改性纖維素；重金屬鎘；去除率

1　引言

隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)在上世紀(jì)的快速發(fā)展，大量污染物通過(guò)各種渠道污染環(huán)境，導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量嚴(yán)重惡化，尤其是重金屬對(duì)土壤造成的污染，形勢(shì)極其嚴(yán)峻。由于重金屬污染具有累積性、長(zhǎng)期性及污染源的多樣性等特點(diǎn)，由重金屬造成的土壤污染是目前人類社會(huì)面對(duì)的污染面積最廣、亟待解決的嚴(yán)重環(huán)境問題之一。截至目前，數(shù)以千萬(wàn)公頃的土壤被農(nóng)藥和重金屬所污染，污染的耕地面積占總耕地面積的10%以上，且經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)的地區(qū)污染越嚴(yán)重，全國(guó)每年有1500萬(wàn)噸的糧食受到重金屬的污染，造成的糧食減產(chǎn)數(shù)量高達(dá)數(shù)千萬(wàn)噸，導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失至少有250億元[1，2]。重金屬進(jìn)入土壤后，經(jīng)過(guò)溶解、沉淀、絡(luò)合等各種反應(yīng)，以不同的化學(xué)形態(tài)存在，并表現(xiàn)出不同的活性[3]。

本文將粉末狀磁性改性纖維素與凹土及硅溶膠結(jié)合，在成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，制備磁性球形改性纖維素，應(yīng)用于土壤中鎘污染的修復(fù)。本研究將討論土壤的物化性質(zhì)、吸附時(shí)間等相關(guān)因素對(duì)球形磁性改性纖維素對(duì)土壤中重金屬鎘去除率的影響規(guī)律。

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要試劑為硅溶膠、凹凸棒土、CdCl2、硝酸、鹽酸、氫氟酸、高氯酸。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用到的主要儀器有原子吸收分光光度計(jì)、水泥砂漿攪拌器、恒溫磁力攪拌器。

2.2 磁性球形改性纖維素的制備

制備方法為：先將粉末狀磁性纖維素和凹凸棒土按配比混合，后將無(wú)機(jī)黏結(jié)劑加入其中，充分?jǐn)嚢?；將其放入鼓風(fēng)干燥箱中干燥，間隔15min攪拌一次，待近干的時(shí)候取出，在模具中先呈現(xiàn)規(guī)則柱狀，最后手工揉捏加工為球形，直徑在3～5mm。球形成型磁性纖維素的制備工藝如圖1所示。

圖1　球形成型磁性纖維素制備流程圖

2.3 污染土壤的制備

將自然風(fēng)干的土壤至恒重，加入氯化鎘進(jìn)行污染處理，攪拌完全后將其取出，放置在較大的容器中風(fēng)干，平衡2周后裝盆，形成鎘單一污染土壤。每盆1kg，然后分別以土壤含水率、土壤pH值、材料添加量及吸附時(shí)間為變量進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)處理3次，對(duì)該材料對(duì)土壤中重金屬鎘的吸附去除率進(jìn)行計(jì)算。

2.4 球形磁性改性纖維素對(duì)自備Cd2+污染土壤吸附研究

2.4.1 土壤含水率對(duì)重金屬Cd2+的吸附效果影響

研究土壤含水率對(duì)球形磁性改性纖維素吸咐去除土壤中重金屬Cd2+效果的影響，其中土壤pH值為5，球形磁性改性纖維素的投加量為7.5%，吸附反應(yīng)時(shí)間為10d。污染土壤的含水率的變化范圍為：5%、10%、15%、20%、25%、30%。土壤含水率對(duì)Cd2+去除率的影響見圖2。

圖2　土壤的含水率對(duì)Cd2+去除率的影響

由圖2可見，球形磁性改性纖維素對(duì)土壤中Cd2+去除率隨著土壤含水率的增大而增大，含水率從5%上升到20%時(shí)，Cd2+的去除率上升了42.15%，是因?yàn)橥寥赖暮试礁?，其二?jí)吸附位點(diǎn)就越多，也越有利于Cd2+離子向纖維素微球表面遷移。但含水率繼續(xù)由20%上升到30%時(shí)，去除率僅僅上升了6.87%，增速大大減緩，這是由于磁性球形改性纖維素易被土壤包裹，增大了回收難度。因此，過(guò)高的含水率不利于實(shí)際操作，故將土壤的含水率控制為20%。

2.4.2 土壤pH對(duì)重金屬Cd2+的吸附效果影響

研究土壤pH值對(duì)球形磁性改性纖維素吸咐去除土壤中重金屬Cd2+效果的影響，其中土壤含水率為20%，球形磁性改性纖維素的投加量為7.5%，吸附反應(yīng)時(shí)間為10 d。污染土壤的pH值的變化范圍為：1、3、5、7、9、11。土壤pH值對(duì)Cd2+去除率的影響見圖3。

由圖3可知，土壤的pH值從1.0上升到5.0左右時(shí)，球形磁性改性纖維素對(duì)重金屬鎘的去除率呈上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)土壤中的pH值較低時(shí)，土壤中的H+會(huì)與Cd2+競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，造成Cd2+在球形磁性改性纖維素上的吸附位點(diǎn)減少。隨著pH的升高，Cd2+的去除率卻呈下降的趨勢(shì)，是因?yàn)楫?dāng)土壤的pH值較高時(shí)，金屬離子在土壤中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氫氧化物沉淀，重金屬的氫氧化物沉淀較吸附劑而言與土壤有更強(qiáng)的親和力。觀察曲線走勢(shì)后，選定土壤的pH值為5.0，Cd2+去除率達(dá)到最大值75.01%。

圖3　土壤pH值對(duì)Cd2+去除率的影響

2.4.3 球形磁性改性纖維素的投加量對(duì)重金屬Cd2+的吸附效果影響

研究球形磁性改性纖維素的添加量對(duì)球形磁性改性纖維素吸附土壤中重金屬Cd2+效果的影響，其中土壤含水率為20%，土壤pH值為5，吸附反應(yīng)時(shí)間為10 d。球形磁性改性纖維素的投加量變化范圍為：1.5%、3.5%、5.5%、7.5%、9.5%、11.5%。球形磁性改性纖維素添加量對(duì)Cd2+去除率的影響見圖4。

圖4　球形磁性改性纖維素添加量對(duì)Cd2+去除率的影響

由圖4可看出，在一定范圍內(nèi)，隨著球形磁性改性纖維素添加量的增多，其對(duì)重金屬Cd2+的去除率增加明顯，并在添加量為7.5%附近出現(xiàn)最大值75.01%，但是，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)增大球形磁性改性纖維素的添加量雖然可以提高去除率，但卻降低了吸附容量，并沒有使球形磁性改性纖維素發(fā)揮最優(yōu)投入產(chǎn)出比。因此，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的角度考慮，選定球形磁性改性纖維素的添加量為7.5%。

2.4.4 吸附時(shí)間對(duì)重金屬Cd2+的吸附效果影響

研究吸附反應(yīng)時(shí)間對(duì)球形磁性改性纖維素吸附土壤中重金屬Cd2+的效果的影響，其中土壤含水率為20%，土壤pH值為5，球形磁性改性纖維素的投加量為7.5%。吸附反應(yīng)時(shí)間的變化范圍為：2d、4d、6d、8d、10d、12d。吸附反應(yīng)時(shí)間對(duì)Cd2+去除率的影響見圖5。

圖5　吸附反應(yīng)時(shí)間對(duì)Cd2+去除率的影響

由圖5可知，反應(yīng)天數(shù)的增多，球形磁性改性纖維素對(duì)重金屬Cd2+的去除率呈近似線性增長(zhǎng)。在初始階段，重金屬主要在球形磁性改性纖維素的表面發(fā)生吸附，球形磁性改性纖維素對(duì)鎘的去除率從29.46%上升到67.13%。之后的吸附速度慢慢變緩，這是因?yàn)榻饘匐x子擴(kuò)散到了球形磁性改性纖維素的孔徑內(nèi)，重金屬在纖維素表面的傳質(zhì)速度逐漸變慢導(dǎo)致的。另外由于吸水導(dǎo)致的強(qiáng)度降低，導(dǎo)致球形顆粒膨脹松散，材料的吸附能力也受到影響。10天之后吸附反應(yīng)達(dá)到平衡，這時(shí)對(duì)鎘的去除率達(dá)到75.01%。

3　結(jié)語(yǔ)

本文以自制的磁性球形改性纖維素作為土壤中重金屬的吸附劑，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)研究了土壤的理化性質(zhì)和磁性球形改性纖維素的添加量對(duì)吸附效果的影響，得出以下結(jié)論：

（1）從實(shí)用性的角度出發(fā)，磁性球形改性纖維素對(duì)鎘污染土壤的最佳吸附條件為：土壤的pH值為5，土壤的含水率為20%，磁性球形改性纖維素的添加量為7.5%、吸附時(shí)間為10天。在最佳吸附條件下，磁性球形改性纖維素對(duì)污染土壤中Cd2+的去除率可達(dá)75.01%。

（2）土壤的pH值過(guò)高或過(guò)低都不利于磁性球形改性纖維素對(duì)土壤中重金屬離子的吸附去除。土壤的pH值較低，土壤中的H+會(huì)與Cd2+競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，但若pH值太高，重金屬離子在土壤中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氫氧化物沉淀，增加了土壤粒子對(duì)重金屬的吸附，因此都不利于磁性球形改性纖維素對(duì)重金屬離子的吸附。

（3）在一定范圍內(nèi)，土壤的含水率越高，磁性球形改性纖維素對(duì)土壤中重金屬的去除率越大，但是含水率過(guò)高，磁性球形改性纖維素易被土壤包裹，增大回收難度。因此，過(guò)高的含水率不利于實(shí)際操作，故本文將土壤的含水率控制在20%。

參考文獻(xiàn)：

[1]韋朝陽(yáng)，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，21（7）：1197-1203.

[2]駱永明，滕應(yīng).我國(guó)土壤污染退化狀況及防治對(duì)策[J].土壤，2006，38（5）：505-508.

[3]魏樹和，周啟星.重金屬污染土壤植物修復(fù)基本原理及強(qiáng)化措施探討[J].生態(tài)學(xué)雜志，2004，23（1）：65-72.

Preparation and Application for Modified Fibrin of Magnetism Sphericity

LIU Xin-zhong1, SUN Jia2, HUANG Yong-jie2, LI Shu-fan1, LU Wei-shuai1, HUANG Wan-yu1

(1.Institute of Bio-environment and Urban Construction, Fujian Engineering College, Fuzhou 350108;

2. Institute of Environment and Resources of Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Abstract:The paper points out the best adsorption condition: the containing water rate in the soil is 20%, pH value is 5, addition quantum of modified fibrin of magnetism sphericity is 7.5%, adsorption time is at 10d, the removal rate of CD in the polluted soil reaches at 75.01%.

Keywords:soil pollution; modified fibrin of magnetism; heavy metal cadmium; removal rate

文章編號(hào):1006-5377（2015）09-0037-03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

中圖分類號(hào):X53