用廢棄茶葉渣制備纖維素黃原酸酯的實(shí)驗(yàn)研究

閆榮榮,武建英,郝瑞剛

（太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系,山西太原030008）

用廢棄茶葉渣制備纖維素黃原酸酯的實(shí)驗(yàn)研究

閆榮榮,武建英,郝瑞剛

（太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系,山西太原030008）

本實(shí)驗(yàn)通過改變NaOH的用量、CS2的用量、黃化攪拌時間、MgSO4的用量的單因素研究,并通過正交實(shí)驗(yàn)得出最佳的制備條件.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：NaOH溶液用量為20ml,CS2溶液用量為0.4ml,黃化攪拌時間為30min,MgSO4溶液用量為25ml的條件下制備的廢棄茶葉渣纖維素黃原酸酯的吸附效果最好,其吸附率得到了很大提高；濃度為50mg／L的含鉛或鎘廢水經(jīng)在最佳制備條件下得到的廢棄茶葉渣纖維素黃原酸酯處理后,鉛或鎘的吸附率提高了41.56%和34.78%.

廢棄茶葉渣；纖維素黃原酸酯；吸附；重金屬離子

伴隨著工業(yè)的飛速發(fā)展,很多污染物未經(jīng)處理或者處理未達(dá)標(biāo)就排放到水體中,尤其是許多工廠的大量含重金屬離子廢水未經(jīng)嚴(yán)格的處理就被排放,在土地耕種中農(nóng)藥與殺蟲劑的大量濫用,造成水體和土壤的重度污染.含重金屬廢水的處理主要有沉淀法、離子樹脂交換法、吸附法等.其中吸附法具有工藝流程簡單、處理效果好、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).

近年來生物類吸附劑因其價廉易得、吸附效果好、可資源化等顯著優(yōu)勢而廣受環(huán)境科學(xué)家們的青睞,樹葉、堅(jiān)果殼、稻谷、鋸末、玉米棒、雞毛等多種生物吸附劑被廣泛應(yīng)用于水體中重金屬的去除.目前我國對茶葉渣作為吸附劑研究甚少.茶葉是一種含網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔性材料,富含茶多酚、單寧酸、纖維素等多種成分,且紅外光譜表明,茶葉表面含有大量羧基、酚羥基、氨基等功能基團(tuán).這些功能基團(tuán)通常都能與重金屬形成離子交換或絡(luò)合作用,因此茶葉作為一種生物吸附劑也被廣泛應(yīng)用于水體中Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Cr（Ⅵ）等重金屬的凈化,廢棄茶葉渣用于水體中重金屬的吸附不僅能實(shí)現(xiàn)水體凈化,而且還有利于廢棄茶葉渣的資源化［1－9］.所以研制高效的廢棄茶葉渣纖維素黃原酸酯吸附劑對含重金屬離子的廢水處理具有一定的實(shí)際意義.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

廢氣茶葉渣：在商店購買的河南信陽毛尖,先熱水浸泡24h后取出、瀝干、放入烘箱（溫度設(shè)為60℃）中進(jìn)行烘干至恒重后用于本實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)中Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）的儲備液分別由分析純的氯化鎘和硝酸鉛粉末配制,其他藥品均為分析純試劑.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1）將烘干的廢棄茶葉渣破碎后取1g于100ml的燒杯中,加入一定量的20%的NaOH溶液,攪拌45min后過濾,用壓濾機(jī)壓濾抽干得到濾餅.

2）將所得到的濾餅放入250ml的燒杯中,加入10%NaOH溶液20ml,攪拌均勻,然后邊攪拌邊加入一定量的CS2溶液,在室溫條件下攪拌反應(yīng)一定時間后,加入一定量的5%MgSO4溶液再攪拌10min,過濾,把所得到的濾渣用大量的MgSO4溶液、蒸餾水和無水乙醇沖洗.

3）把所得的濾渣放置于60℃的烘箱內(nèi)干燥4h得到干燥的廢棄茶葉渣纖維素黃原酸酯.

4）在250ml燒杯中加入50ml的50mg／L的含鉛或鎘廢水,用HCl調(diào)節(jié)pH到中性,稱取1g纖維素黃原酸酯加入其中,在室溫下攪拌30min,靜置,過濾得到上清液,用火焰原子吸收光譜儀,在波長283.3nm處測量上清液的濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 堿化時NaOH用量

制備過程中NaOH用量對重金屬離子吸附效果的影響如圖1所示,可以發(fā)現(xiàn)Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的吸附率曲線趨勢一致,都是隨著NaOH用量的增加,吸附效果呈現(xiàn)出先上升再下降的趨勢,適宜的NaOH用量,有利于纖維素的堿化反應(yīng)過程,如果氫氧化鈉的用量高,會使堿纖維素膨脹,但伴隨著的副反應(yīng)也會增多：游離的NaOH會與后來投加的CS2發(fā)生化合反應(yīng),生成Na2CS3,Na2CO3和H2O.發(fā)生這些相關(guān)副反應(yīng)對廢茶葉纖維素黃原酸酯的吸附效果不利.反之,如果氫氧化鈉的用量少,纖維素就會發(fā)生水化反應(yīng),影響后面的黃化反應(yīng).因此,氫氧化鈉的用量對所制備的廢棄茶葉纖維素黃原酸酯吸附Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）性能有很大的影響.由圖1可以得知在NaOH用量為20ml時吸附效果最好,吸附率為87.0%和75%.

2.2 黃化時CS2用量

制備過程中黃化時CS2用量對重金屬離子吸附效果的影響如圖2所示,可以發(fā)現(xiàn)隨著CS2溶液用量的增加,對Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的吸附率曲線趨勢一致,都是隨著CS2用量的增加,吸附效果呈現(xiàn)出先增長后下降的趨勢.主要?dú)w因于黃化反應(yīng)中CS2用量會影響到制備的廢棄茶葉渣纖維素黃原酸酯中硫的含量,CS2起到了使纖維素進(jìn)行黃化反應(yīng)的目的,所以CS2用量對黃化反應(yīng)有很大的影響,如果加入的用量太少,纖維素就不能完全反應(yīng)；如果加入的用量太大,就會提高纖維素的黃原酸化程度,CS2的利用率就會降低,從而增加了實(shí)驗(yàn)的成本,并對后面的處理過程造成嚴(yán)重的影響.因此,控制一定的CS2用量對于Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的去除效果尤為重要,由圖2可以看出,CS2用量對于Pb（Ⅱ）的吸附效果影響大于Cd（Ⅱ）的吸附效果影響,所以本實(shí)驗(yàn)取CS2用量為0.4ml,這時纖維素黃原酸酯對Pb（Ⅱ）的吸附效果達(dá)到最好,吸附率為85.2%,纖維素黃原酸酯對Cd（Ⅱ）的吸附吸附率為76.1%.

圖1 NaOH用量對重金屬離子吸附效果的影響

圖2 CS2用量對重金屬離子吸附效果的影響

2.3 黃化時攪拌時間

制備過程中黃化時攪拌時間對重金屬離子吸附效果的影響如圖3所示,可以發(fā)現(xiàn)隨著黃化時攪拌時間的增加,對Pb（Ⅱ）吸附效果呈現(xiàn)出先增長后下降的趨勢,對Cd（Ⅱ）的吸附效果呈現(xiàn)出先增長后基本保持不變的趨勢.黃化反應(yīng)中廢茶葉纖維素與CS2的反應(yīng)時間對廢茶葉纖維素黃原酸酯的含硫量有一定影響.隨著攪拌時間的增加,纖維素黃原酸酯的取代度增加,其中的硫含量機(jī)會增多,所以吸附效果就會越來越好,但是如果攪拌時間過長,纖維素就會發(fā)生水解皂化反應(yīng),破壞了纖維素的結(jié)構(gòu),同時使廢茶葉纖維素黃原酸酯中的硫含量減少,從而降低了生成的纖維素黃原酸酯對Pb2＋的吸附效果.當(dāng)攪拌時間為60min時,纖維素黃原酸酯的吸附效果達(dá)到最好,吸附率分別為86.6%和88.2%.

2.4 MgSO4用量

制備過程中MgSO4用量對重金屬離子吸附效果的影響如圖4所示,可以發(fā)現(xiàn)Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的吸附率曲線趨勢一致,都是隨著MgSO4用量的增加,吸附效果呈現(xiàn)出先增長后下降的趨勢.由于纖維素之前與NaOH反應(yīng),黃原酸酯中正電荷數(shù)量比較少,離子極化力變低,使得生成的纖維素黃原酸酯的半徑增大,因此會與氧及硫元素形成不穩(wěn)定的鰲合物,分解需要一段時間才能夠發(fā)生.而且鈉型纖維素黃原酸酯作為中間體非常不穩(wěn)定,為了增強(qiáng)其穩(wěn)定性需要加入鎂鹽與其反應(yīng),形成鎂鹽后Mg2＋與纖維素黃原酸酯中的氧和硫原子形成的鰲合物穩(wěn)定性就會大大增強(qiáng),從而延長了纖維素黃原酸酯的儲存時間和使用周期.由圖4可以看出當(dāng)MgSO4用量為20ml時,纖維素黃原酸酯對Pb（Ⅱ）的吸附效果達(dá)到最好,吸附率為85.8%,當(dāng)MgSO4用量為30ml時,纖維素黃原酸酯對Cd（Ⅱ）的吸附效果達(dá)到最好,吸附率為88.2%.考慮到制備的纖維素黃原酸酯吸附不同的重金屬離子的吸附效果的影響,本實(shí)驗(yàn)取Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）最高吸附效率中間值對應(yīng)的MgSO4用量,即MgSO4用量為25ml.

2.5 利用正交實(shí)驗(yàn)研究最佳的制備方案

根據(jù)上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)L9（34）的正交實(shí)驗(yàn)如表1,然后根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)表2得出9個不同制備條件下的廢棄茶葉渣纖維素黃原酸酯.

圖3 攪拌時間對重金屬離子吸附效果的影響

圖4 MgSO4對重金屬離子吸附效果的影響

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素表

表2 制備的纖維素黃原酸酯正交實(shí)驗(yàn)表

由表3可以得出制備纖維素黃原酸酯對Pb（Ⅱ）吸附率和Pb（Ⅱ）吸附率這兩項(xiàng)指標(biāo)單獨(dú)分析出的優(yōu)化條件不一致,需根據(jù)因素的影響主次,綜合考慮,確定最佳工藝條件為A2B2C3D2,即NaOH溶液用量為20ml,CS2溶液用量為0.4ml,黃化時攪拌時間為90min,MgSO4溶液用量為25ml.

表3 因素主次順序和優(yōu)化水平組合表

2.6 對比實(shí)驗(yàn)

采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn),實(shí)際工藝條件調(diào)整為A2B2C3D2,制備的纖維素黃原酸酯對Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）進(jìn)行吸附,吸附率平均值分別達(dá)到了89.76%和91.7%,在同樣情況下,利用廢棄茶葉渣對Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）進(jìn)行吸附,得到的吸附率為48.20%和56.92%,明顯可以看出經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到的纖維素黃原酸酯吸附效果比沒有經(jīng)過處理的廢棄茶葉渣好,前者與后者相比,吸附率分別提高了41.56%和34.78%,吸附效果達(dá)到1.86倍和1.61倍.

3 結(jié)語

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn),獲得了制備纖維素黃原酸酯的最佳工藝條件為：NaOH溶液用量為20ml,CS2溶液用量為0.4ml,黃化時攪拌時間為90min,MgSO4溶液用量為25ml.通過對比實(shí)驗(yàn)得出纖維素黃原酸酯吸附效果比沒有經(jīng)過處理的廢棄茶葉渣好,前者與后者相比,吸附效果達(dá)到1.86倍和1.61倍.

通過研究制得的廢棄茶葉渣纖維素黃原酸酯吸附劑,不但實(shí)現(xiàn)了廢物的資源化利用,還對含重金屬離子的廢水處理具有一定的實(shí)際意義.

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Study on Adsorption of Heavy Metal from Waste Water with Waste Tea Xanthate

YAN Rongrong,WU Jianying,HAO Ruigang
（Department of Environmental and Safety Engineering,Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan 030008,China）

The influence of the amount of sodium hydroxide,the amount of carbon disulfide,carbon disulfide reaction time and the amount of magnesium sulfate on the ions adsorption with tea waste xanthate by single－factor experimental method and the orthogonal experimental design method was studied in this paper and drew the curve of four influencing factors on adsorption rate and adsorption quantity.The result showed that the obtained optimum technological parameters in preparation of the cellulose xanthate were respectively as follows：the amount of sodium hydroxide 20mL,the amount of carbon disulfide 0.4mL,and carbon disulfide reaction time 30min,the amount of magnesium sulfate 25mL.The Pb2＋and Cd2＋removal rate was increased 41.56%and 34.78%for 50mg／L Pb2＋and Cd2＋solution with the cellulose xanthate preparaed under the optimal conditions.

tea waste；cellulose xanthate；adsorption；heavy metal ion

1672－2027（2016）04－0073－04

TS272

A

2016－09－06

閆榮榮（1981－）,女,山西霍州人,碩士,太原工業(yè)學(xué)院助教,主要從事水體污染處理研究.