去除染料廢水中亞甲基藍(lán)的改性秸稈制備及性能研究

何思敏，厲益利，邵 波，戚高晟

(1.浙江樹(shù)人大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310015；2.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

染料廢水通常是指帶有顯色基團(tuán)和極性基團(tuán)的芳烴和雜環(huán)化合物,早在2010年，我國(guó)染料產(chǎn)量就已經(jīng)占到世界染料總產(chǎn)量的60%，達(dá)到約75.6萬(wàn)t，居世界首位.同時(shí)，染料行業(yè)屬于會(huì)產(chǎn)生高污染，高能耗的產(chǎn)業(yè).據(jù)測(cè)算[1]，我國(guó)每生產(chǎn)1 t染料，大約排放廢水744 m3.在平時(shí)生產(chǎn)和使用過(guò)程中約有10%～20%染料釋放到水體中[2].按2010年我國(guó)染料生產(chǎn)總量計(jì)算，將有7萬(wàn)t～15萬(wàn)t染料隨著廢水排入水體環(huán)境，而染料進(jìn)入水體系統(tǒng)就意味著會(huì)對(duì)水生植物、生物造成大量的危害，部分含氮、磷的染料廢水還有可能會(huì)使水體產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化的情況，造成水中供氧量下降，水體魚(yú)類(lèi)大量死亡，影響人體健康.我國(guó)使用多種化學(xué)劑對(duì)染料廢水進(jìn)行降解去除，但是化學(xué)藥劑往往會(huì)造成二次污染，有殘留等危害[3-5].

纖維主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組成[6].纖維的吸附性好，接觸面積較大，有豐富的官能團(tuán)，其中秸稈纖維是具有豐富來(lái)源且價(jià)格低廉的天然高分子材料，它具有良好的生物降解性[7].我國(guó)對(duì)秸稈的利用范圍較低一般用于飼料和造紙，處理方法多為焚燒和掩埋，但其實(shí)，從資源節(jié)約和利用的角度來(lái)講是不太合理的，這樣做不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)污染環(huán)境[8].對(duì)纖維進(jìn)行化學(xué)和物理處理后用作吸附劑是非常好的資源利用.對(duì)纖維改性可以運(yùn)用堿洗、酸洗、微波輻射等方法，其中微波輻射方法潔凈、簡(jiǎn)單，能夠快速去除纖維中的木質(zhì)素，增大表面粗糙度，有利于和所吸附物質(zhì)進(jìn)行接觸.

吸附法以其能夠選擇性地富集某些化合物的特性在廢水處理領(lǐng)域有著特殊的地位,常用的吸附劑有纖維、活性炭、樹(shù)脂和其他一些吸附材料,國(guó)外對(duì)吸附法處理染料廢水進(jìn)行了廣泛而深入的研究[9].

秸稈纖維經(jīng)過(guò)微波處理利用較大的比表面積對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附率大大地增加，秸稈纖維的來(lái)源豐富且利用率較高，有很好地發(fā)展前景.利用秸稈纖維吸附染料的方法高效、便捷，是進(jìn)行資源二次利用的一種表現(xiàn).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：秸稈纖維(Part No：60X030130)；亞甲基藍(lán)(中國(guó)華東師范大學(xué)化工廠上海)硝酸(浙江中星化工試劑有限公司)；氫氧化鈉(杭州蕭山化學(xué)試劑廠).

儀器：紫外分光光度計(jì)(日本島津UV-124)；微波爐(格蘭仕微波生活電器有限公司P70D20L-DE(W0))；恒溫振蕩器(國(guó)華企業(yè)THZ-82)；烘箱(上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司DGG-9140A型)；電子天平(瑞士梅特勒公司)；pH計(jì)(EUTECH INSTRMENTS)；分析天平(DHADS CAV114C)

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 秸稈纖維預(yù)處理

將適量秸稈纖維置于燒杯中，配置一定量的(能浸沒(méi)秸稈纖維的量為準(zhǔn))10%的氫氧化鈉水溶液，將秸稈纖維浸沒(méi)氫氧化鈉溶液中，在室溫下攪拌10 min后將秸稈纖維取出，用去離子水洗至中性，配置一定量的(能浸沒(méi)秸稈纖維的量為準(zhǔn))10%硝酸溶液，將洗凈的纖維浸泡在硝酸溶液中1 h，用去離子水洗至中性.將經(jīng)過(guò)堿洗、酸洗后的秸稈纖維用去離子水浸沒(méi)，放入微波爐中小火微波1.5 min，最后將經(jīng)過(guò)微波處理的秸稈纖維用烘箱烘干至恒重，將成品冷卻后存放至干燥皿中.

1.2.2 亞甲基藍(lán)標(biāo)線測(cè)定

亞甲基藍(lán)溶液濃度測(cè)定時(shí)，用1 mL移液管從待測(cè)的亞甲基藍(lán)溶液中取1～50 mL的比色管，并加入去離子水至50 mL線，用紫外分光光度法測(cè)得待測(cè)液的吸光度，以所測(cè)吸光值為Y帶入所得標(biāo)線即可得出50 mL比色管中亞甲基藍(lán)的含量x，即待測(cè)亞甲基藍(lán)的濃度為x(mg/L).采用分光光度法測(cè)得亞甲基藍(lán)含量在1～10 mg/L范圍內(nèi)的標(biāo)線方程：Y=0.084 7x+0.016 9(R2=0.999 3)

2 結(jié)果與討論

2.1 pH對(duì)亞甲基藍(lán)染料去除率的影響

取7個(gè)三角燒瓶中加入10 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液100 mL，將亞甲基藍(lán)溶液pH分別調(diào)至1、3、5、7、8、9、11、13，并投加500 mg秸稈纖維，在25 ℃下振蕩1 h.并設(shè)置空白與去離子水對(duì)照組，取上清液，測(cè)得吸光度.

由圖1可知使用秸稈纖維去除亞甲基藍(lán)染料時(shí)最佳pH為8，去除率達(dá)到99.3%，去除率在pH=1～7內(nèi)波動(dòng)較??；pH=8時(shí)上升至頂峰；pH=9～13有大幅度下降的趨勢(shì).從空白組的曲線來(lái)看，pH=1和pH=3亞甲基藍(lán)的去除率為負(fù)值；pH=5～13有下降趨勢(shì)，但波動(dòng)不大，在pH=9時(shí)達(dá)到去除率最大為10.44%；pH=8時(shí)達(dá)到去除率最小為6.18%.去離子水空白組中，pH=1～13中溶液震蕩后變渾濁，有去除率下降趨勢(shì)；pH=1～7時(shí)去除率為正值；pH8～13時(shí)為負(fù)值；pH=7時(shí)為最小正值0.11%；pH=8時(shí)為最小負(fù)值-0.45%；pH=13時(shí)達(dá)到最小為-6.0%.綜上所述最后得pH=8時(shí)秸稈纖維的去除率最高為93.57%.

圖1 pH對(duì)亞甲基藍(lán)染料去除率的影響

pH下降，在酸性條件下，秸稈纖維的吸附率會(huì)有所下降，亞甲基藍(lán)染料在堿性條件下敏感度較高，但是當(dāng)pH值過(guò)高時(shí)，會(huì)對(duì)秸稈纖維的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響，所以在弱堿性的情況下秸稈纖維對(duì)亞甲基藍(lán)的去除率最高.

2.2 溫度對(duì)亞甲基藍(lán)染料去除率的影響

向4個(gè)三角燒瓶分別投加10 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液100 ml，調(diào)至pH=8.各加入500 mg秸稈纖維，將4個(gè)燒瓶逐一放入恒溫振蕩器中，分別設(shè)定溫度15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃，震蕩1 h.并設(shè)置空白與去離子水對(duì)照組，測(cè)得吸光度.

圖2 溫度對(duì)亞甲基藍(lán)染料去除率的影響

由圖2可知，秸稈纖維對(duì)亞甲基藍(lán)的最佳去除率是溫度25 ℃時(shí)，去除率達(dá)到94.24%.去除率有隨著溫度升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在25 ℃達(dá)到頂峰.在亞甲基藍(lán)空白組中，依舊呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，在25 ℃下達(dá)到最高為6.23%.在去離子水空白組中隨著溫度的升高，去除率的負(fù)值越大，溶液越渾濁，25 ℃達(dá)到-0.45%，30 ℃達(dá)到-0.67%.綜上所述溫度對(duì)亞甲基藍(lán)的去除率在25 ℃達(dá)到最高88.46%.

秸稈纖維在低溫下吸附的速率會(huì)降低，隨著溫度的升高會(huì)加速纖維的吸附，但溫度過(guò)高時(shí)纖維會(huì)產(chǎn)生脫吸，故在25 ℃時(shí)產(chǎn)生最高亞甲基藍(lán)去除率.

2.3 投加量對(duì)亞甲基藍(lán)染料去除率的影響

向11個(gè)三角燒瓶中分別加入10 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液100 mL，調(diào)至最佳pH=8，再分別投加0 mg、100 mg、200 mg、300 mg、400 mg、500 mg、600 mg、700 mg、800 mg、900 mg、1 000 mg秸稈纖維，將燒瓶統(tǒng)一放入振蕩器中，并設(shè)置空白與去離子水對(duì)照組，在25 ℃下，振蕩1 h，測(cè)得吸光度.

圖3 投加量對(duì)亞甲基藍(lán)染料去除率的影響

由圖3可以看出隨著秸稈纖維的投加量增多，亞甲基藍(lán)染料的去除率呈逐漸上升趨勢(shì).從0～400 mg上升趨勢(shì)較大；500～1 000 mg波動(dòng)較小有細(xì)微的上升趨勢(shì)；到800 mg時(shí)，為頂峰，達(dá)到900 mg,1 000 mg時(shí)無(wú)明顯波動(dòng)，說(shuō)明亞甲基藍(lán)染料基本去除.此實(shí)驗(yàn)的亞甲基藍(lán)空白對(duì)照去除率均為6.18%.去離子水空白組隨著纖維投加量越大溶液越渾濁，去除率下降，去除率有以負(fù)值增大的趨勢(shì)，到1 000 mg時(shí)達(dá)到最大負(fù)值-4.00%.綜上所述，從實(shí)驗(yàn)可以看出投加1 000 mg時(shí)的去除率最大95.07%，但從現(xiàn)實(shí)以經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的角度考慮，達(dá)到500 mg后的去除趨勢(shì)不大，故以500 mg為最佳投加量，去除率90.09%.

秸稈纖維在一定的亞甲基藍(lán)溶液中，量越大，亞甲基藍(lán)的去除率就越高，速率也就越快，在800 mg時(shí)將亞甲基藍(lán)幾乎去除完全，故在900 mg，1 000 mg時(shí)幾乎沒(méi)有波動(dòng).

2.4 吸附時(shí)間對(duì)亞甲基藍(lán)染料去除率的影響

向8個(gè)三角燒瓶中加入10 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液100 mL，調(diào)節(jié)pH=8，投加量500 mg秸稈纖維,溫度25 ℃，并設(shè)置空白與去離子水對(duì)照組，設(shè)定振蕩時(shí)間分別為15 min、30 min、45 min、60 min、75 min、90 min、105 min、120 min，測(cè)得吸光度.

圖4 吸附時(shí)間對(duì)亞甲基藍(lán)染料去除率的影響

由圖4可以看出秸稈纖維對(duì)亞甲基藍(lán)去除率最佳時(shí)間為90 min，去除率為97.2%.隨著吸附時(shí)間的增加，亞甲基藍(lán)染料的去除率呈逐漸上升趨勢(shì)，而當(dāng)達(dá)到90 min時(shí)，為頂峰，達(dá)到105,120 min時(shí)無(wú)明顯波動(dòng)，甚至有些下降，說(shuō)明當(dāng)實(shí)驗(yàn)達(dá)到90 min時(shí)，亞甲基藍(lán)染料基本去除.從亞甲基藍(lán)的空白組實(shí)驗(yàn)可以看出僅在0～30 min之內(nèi)有明顯的上升趨勢(shì)，30～120 min的去除率均在12.0%左右波動(dòng).去離子水的空白實(shí)驗(yàn)中，隨著振蕩時(shí)間的增加，溶液渾濁，去除率以負(fù)值的形式增大，120 min時(shí)達(dá)到最大值-4.1%.綜上所述，從節(jié)約時(shí)間的角度考慮，90 min為最佳時(shí)間，去除率達(dá)到87.84%.

在一定投加量下，吸附時(shí)間越長(zhǎng)，吸附的效果越強(qiáng)，即去除率越高.本實(shí)驗(yàn)中，90 min時(shí)達(dá)到500 mg秸稈纖維最大吸附量，而隨著時(shí)間的加長(zhǎng)，纖維會(huì)產(chǎn)生脫吸現(xiàn)象，故會(huì)出現(xiàn)下降的情況.

3 結(jié) 語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)秸稈纖維經(jīng)過(guò)氫氧化鈉和硝酸以及微波加熱進(jìn)行處理后，利用秸稈纖維的吸附性對(duì)亞甲基藍(lán)染料進(jìn)行吸附處理，通過(guò)研究不同因素對(duì)亞甲基藍(lán)染料的去除率找出最佳的方案.最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)降解100 mL濃度為10 mg/L的亞甲基藍(lán)染料廢水時(shí)，振蕩時(shí)最佳溫度為25 ℃，最佳振蕩時(shí)間為90 min，亞甲基藍(lán)染料最佳pH為8，秸稈纖維最佳投加量為500 mg.