稻秸稈纖維對(duì)Cu(Ⅱ)的吸附性能

劉玉森， 陳 莉， 王 馳

(1. 西安工程大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710048； 2. 西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院， 陜西 西安 710048)

稻秸稈纖維對(duì)Cu(Ⅱ)的吸附性能

劉玉森1， 陳 莉2， 王 馳2

(1. 西安工程大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710048； 2. 西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院， 陜西 西安 710048)

為研究稻秸稈纖維對(duì)Cu2+的吸附性能，測(cè)試了Cu2+初始質(zhì)量濃度、處理時(shí)間、處理溫度、固液比和pH值等因素對(duì)稻秸稈纖維吸附效果的影響，并對(duì)吸附前后的稻秸稈紅外光譜進(jìn)行了分析比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：稻秸稈纖維對(duì)銅離子的吸附以物理吸附為主，也存在少量化學(xué)吸附；稻秸稈纖維對(duì)Cu2+具有快速、良好的吸附性能，尤其是對(duì)低質(zhì)量濃度的Cu2+溶液吸附效果較好；溶液的初始pH值對(duì)稻秸稈纖維吸附作用影響較大，環(huán)境溫度對(duì)稻秸稈纖維吸附作用影響較小；當(dāng)固液比值為7.5 mg/L、溶液初始pH值為5時(shí)，稻秸稈對(duì)Cu2+的吸附性能達(dá)到最佳。

稻秸稈纖維； 銅離子； 吸附性能； 紅外光譜

近年來(lái)，鋼鐵、電鍍、制革和有色金屬冶煉等行業(yè)排出的重金屬?gòu)U水已成為水體、土壤等的重要污染源之一，其對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康造成極大的危害[1-2]。因此，工廠(chǎng)排放廢液中金屬離子的有效治理和回收，將會(huì)產(chǎn)生極大的社會(huì)效益。在處理溶液金屬離子的多種方法中，吸附法是一種較為高效、經(jīng)濟(jì)的處理方法[3]。稻秸稈纖維是從農(nóng)業(yè)廢棄物——水稻秸稈中提取而制得的一種新型纖維素纖維[4]，提取工藝簡(jiǎn)單[5]，原材料屬于農(nóng)業(yè)廢棄物，成本低廉。關(guān)于稻秸稈纖維的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、吸濕性能、物理機(jī)械性能和紡紗性能已經(jīng)有了初步的研究，前期研究發(fā)現(xiàn)，纖維粗硬，紡紗性能較差，但纖維表面粗糙，縱向溝槽較多，表面積大，吸濕能力較強(qiáng)[6]。稻秸稈纖維的主要成分為纖維素、半纖維素等[7]，大分子上含有大量羥基等活性基團(tuán)，有利于纖維對(duì)金屬離子的吸附。目前，有關(guān)稻秸稈纖維吸附金屬離子的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本文以銅離子為例，研究了稻秸稈纖維對(duì)金屬離子的吸附性能，為稻秸稈纖維在吸附金屬離子方面的應(yīng)用提供參考，以期進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出可重復(fù)利用的功能性稻秸稈纖維制品，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的高值利用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材 料

稻秸稈纖維(產(chǎn)地為陜西省戶(hù)縣)，通過(guò)化學(xué)脫膠方法提取，殘膠率為9.02%，結(jié)晶度為61.5%。

1.2 儀器和試劑

722型可見(jiàn)光分光光度計(jì)；FT-IR5700型傅里葉紅外光譜儀；A3003B 型精密電子天平；YLE-1000型電熱恒溫水浴鍋；五水硫酸銅(分析純)。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 吸附標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)繪制

稱(chēng)取3.946 g的五水硫酸銅，配制出Cu2+質(zhì)量濃度為1 mg/mL的硫酸銅標(biāo)準(zhǔn)溶液[7]，分別取0.5、1、2、3、5 mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋、定容至1 000 mL，得到質(zhì)量濃度分別為0.5、1、2、3、5 mg/L的硫酸銅溶液。利用可見(jiàn)光分光光度計(jì)，在最大吸收波長(zhǎng)處分別測(cè)定吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)[8]。

1.3.2 吸附性能測(cè)試

將一定量的稻秸稈纖維投入到一定質(zhì)量濃度的硫酸銅溶液中，在一定溫度、pH值及溶液初始質(zhì)量濃度等條件下吸附一段時(shí)間，分別測(cè)試吸附前后溶液的吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算吸附前后的溶液質(zhì)量濃度，按照式(1)、(2)分別計(jì)算稻秸稈纖維對(duì)Cu2+的吸附量和吸附率[7]。

(1)

式中：γ為吸附量，mg/g；C0為溶液初始 Cu2+質(zhì)量濃度，mg/L；Ct為吸附后溶液Cu2+質(zhì)量濃度，mg/L；W為秸稈纖維投入量,g；V為吸附溶液的體積，L。

(2)

式中：β為纖維的吸附率，%；Ci為初始溶液Cu2+質(zhì)量濃度，mg/L；Ct為吸附后溶液Cu2+質(zhì)量濃度，mg/L。

1.3.3 結(jié)構(gòu)分析

取吸附前后的稻秸稈纖維，采用粉末法，以KBr為基片[9]，用FT-IR5700型傅里紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行掃描。

2 結(jié)果與討論

2.1 Cu2+標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)分析

用可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)出硫酸銅溶液的最大吸收波長(zhǎng)為456 nm，在該處繪制出Cu2+的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，如圖1所示。將曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合[10]，擬合方程為Y=0.005 33+0.063 39X，式中Y為吸光度，X為質(zhì)量濃度，R2=0.998 04。

2.2 時(shí)間對(duì)吸附性能的影響

配制200 mL、質(zhì)量濃度為10 mg/L的硫酸銅溶液，放入1 g稻秸稈纖維。室溫下，分別浸泡吸附5、10、15、20、25、30、60 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示。

由圖2、3可看出，當(dāng)吸附時(shí)間小于25 min，吸附量和吸附率均呈快速增加趨勢(shì)，當(dāng)吸附時(shí)間在30 min左右時(shí)，基本達(dá)到吸附平衡，再繼續(xù)延長(zhǎng)吸附時(shí)間，吸附量和吸附率增加不明顯。這是由于在吸附初始階段，Cu2+質(zhì)量濃度大，纖維表面吸附點(diǎn)數(shù)量多，表現(xiàn)為吸附速度快的特點(diǎn)，當(dāng)吸附劑表面被離子覆蓋后，吸附反應(yīng)便逐漸飽和，吸附量和吸附率增加不明顯。因此，稻秸稈纖維對(duì)Cu2+的吸附是一個(gè)快速吸附反應(yīng)，吸附時(shí)間以不超過(guò)30 min為宜。

2.3 Cu2+質(zhì)量濃度對(duì)吸附性能的影響

配制200 mL質(zhì)量濃度分別為5、10、20、30、40 mg/L的硫酸銅溶液，各放入1 g稻秸稈纖維，室溫下浸泡吸附8 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示。

由圖4、5可看出，隨溶液Cu2+質(zhì)量濃度的不斷增大，稻秸稈纖維的吸附量呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)，當(dāng)Cu2+質(zhì)量濃度達(dá)到30 mg/L后，纖維對(duì)Cu2+吸附量逐漸趨于飽和，基本達(dá)到稻秸稈纖維的平衡吸附量，再提高溶液初始質(zhì)量濃度對(duì)纖維的平衡吸附量的改變較小。同時(shí)，隨溶液質(zhì)量濃度的不斷增大，纖維的吸附率不斷下降。原因是隨著初始質(zhì)量濃度的增大，纖維表面吸附點(diǎn)與Cu2+的接觸幾率增大，吸附速率加快，即吸附量有所增大，同時(shí)這一現(xiàn)象又使得稻秸稈纖維的吸附能力很快趨于飽和，稻秸稈纖維表面的吸附點(diǎn)位相對(duì)不足，使Cu2+相對(duì)于稻秸稈纖維出現(xiàn)了過(guò)剩, 導(dǎo)致離子吸附率降低。說(shuō)明稻秸稈纖維對(duì)過(guò)高濃度的Cu2+的吸附能力是有限的，對(duì)低濃度的Cu2+溶液吸附效果更好。

2.4 溫度對(duì)吸附性能的影響

配制200 mL，質(zhì)量濃度均為10 mg/L的硫酸銅溶液5組，分別在20、25、30、35、40 ℃的水浴中放置至恒溫，分別加入1 g稻秸稈纖維，浸泡吸附30 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、7所示。

由圖6、7可看出，30 ℃之前，隨溫度的升高，稻秸稈纖維對(duì)Cu2+的吸附量和吸附率均有所增加，30 ℃之后溫度升高對(duì)吸附量的影響不明顯。原因可能是初始階段隨溫度的升高增大了纖維的濕潤(rùn)膨脹，另一方面離子運(yùn)動(dòng)加劇，降低了吸附所需的活化能，有利于Cu2+向纖維深處擴(kuò)散，從而提高了吸附率，并且迅速達(dá)到了吸附平衡，再升高溫度，對(duì)溶液中吸附作用的提升不大。因此，在一定溫度范圍內(nèi)，環(huán)境溫度對(duì)稻秸稈纖維吸附Cu2+的能力影響不十分明顯，室溫下進(jìn)行吸附即可。

2.5 固液比對(duì)吸附性能的影響

配制6組200 mL、質(zhì)量濃度均為10 mg/L的硫酸銅溶液，分別放入0.5、1、1.5、2、2.5、3 g稻秸稈纖維，室溫下，浸泡吸附30 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、9所示。

由圖8、9可看出，隨固液比的增大，稻秸稈纖維對(duì)Cu2+的吸附量呈減小趨勢(shì)，吸附率逐漸增大。原因是稻秸稈吸附Cu2+的過(guò)程是一個(gè)快速反應(yīng)的過(guò)程，隨纖維放入量增多，吸附點(diǎn)位數(shù)量和纖維吸附表面積增大，吸附速率提高，使溶液中Cu2+的質(zhì)量濃度迅速降低到較低值，纖維表面的吸附位置不能達(dá)到飽和，單位質(zhì)量的稻秸稈纖維對(duì)Cu2+的吸附量相對(duì)降低，纖維不能充分發(fā)揮吸附作用，當(dāng)固液比增大到12.5 mg/L時(shí)，吸附率已達(dá)到87.7%，繼續(xù)增加纖維放入量，吸附率增加不明顯。由此，對(duì)于一定質(zhì)量濃度的Cu2+溶液，纖維的投加量并不是越多越好，根據(jù)吸附曲線(xiàn)，本文研究的最佳固液比為7.5 mg/L。

2.6 pH值對(duì)吸附性能的影響

配制7組200 mL、質(zhì)量濃度均為10 mg/L、pH值分別為1、2、3、4、5、7、11的硫酸銅溶液，分別入1 g稻秸稈纖維，室溫下，浸泡吸附30 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10、11所示。

由圖10、11可看出，隨pH值的增大，稻秸稈纖維對(duì)Cu2+的吸附量和吸附率相應(yīng)增大，當(dāng)pH值到5之后吸附量基本達(dá)到最大。原因可能是由于溶液pH值較小時(shí)，H+濃度高、活性較大，減小了溶液中Cu2+在陽(yáng)離子中的占比，H+與Cu2+存在競(jìng)爭(zhēng)稻秸稈纖維表面的吸附點(diǎn)位[11]，不利于纖維對(duì)Cu2+的吸附；隨pH值升高，H+活性和濃度減小，競(jìng)爭(zhēng)力下降，從而纖維對(duì)Cu2+的吸附量增大。當(dāng)溶液pH值大于6以后，由于溶液中的OH-濃度增大，銅元素主要以Cu(OH)2沉淀的形式析出，而不是以Cu2+的形式存在，吸附過(guò)程受到影響。所以，當(dāng)溶液初始pH值為5時(shí)，吸附效果最好。

2.7 吸附Cu2+前后稻秸稈纖維結(jié)構(gòu)分析

3 結(jié) 論

1)稻秸稈纖維對(duì)Cu2+具有良好的吸附能力，有望成為一種新型可再生吸附材料，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的高效利用。

2)稻秸稈纖維對(duì)Cu2+的吸附是一個(gè)快速吸附反應(yīng)，尤其對(duì)低質(zhì)量濃度的Cu2+溶液吸附效果較好；溶液的初始pH值對(duì)纖維吸附作用影響較大，溶液初始pH值為5時(shí)吸附效果最好；對(duì)于一定質(zhì)量濃度的Cu2+溶液，纖維的投加量并不是越多越好，本文的最佳固液比值為7.5 mg/L；在一定溫度范圍內(nèi)，環(huán)境溫度對(duì)稻秸稈纖維吸附Cu2+的能力影響不明顯。

3)吸附Cu2+后稻秸稈纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯改變, 說(shuō)明稻秸稈纖維對(duì)Cu2+的吸附以物理吸附為主；但—OH彎曲振動(dòng)吸收峰向低頻方向移動(dòng)，說(shuō)明纖維素大分子上存在的大量羥基與Cu2+形成了離子交換,吸附過(guò)程發(fā)生了少量化學(xué)吸附。

FZXB

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Adsorption property of rice straw fiber to copper ions

LIU Yusen, CHEN Li, WANG Chi

(1. School of Applied Technology, Xi′an Polytechnic University, Xi′an, Shaanxi 710048, China; 2. School of Textiles & Materials, Xi′an Polytechnic University, Xi′an, Shaanxi 710048, China)

In order to study the adsorption properties of rice straw fiber to Cu2+, the influence of initial Cu2+concentration, time, temperature, ratio of solid to liquid and pH value on adsorption were discussed. The infrared spectroscopy before and after adsorption were analyzed and compared. The results show that the adsorption of Cu2+by rice straw fiber mainly is a physical adsorption. At the same time, a very small amount of chemical adsorption exists in the adsorption process. Rice straw fiber, for Cu2+, has fast and good adsorption properties, and has better adsorption effect especially for Cu2+of low concentration; the influence of the initial pH value on the adsorption properties of rice straw fiber is large, ambient temperature has less effect on the adsorption properties of rice straw fibers; and when the solid-liquid ratio of 7.5 mg/L, the initial pH value is 5, and the adsorption properties of rice straw to Cu2+reach the best.

rice-straw fiber; copperions; adsorption property; infrared spectroscopy

10.13475/j.fzxb.20150403105

2015-04-17

2016-01-31

陜西省教育廳自然科學(xué)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(12JK0565)

劉玉森(1974—)，男，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)樾滦图徔椉庸ぜ夹g(shù)。E-mail：fzlys@xpu.edu.cn。

TS 102.2

A