微波輔助改性殼聚糖的制備及其對(duì)Ni2+的吸附性能

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(1.宿州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 宿州 234000；2.宿州學(xué)院 精細(xì)化工產(chǎn)品開發(fā)研究所，江蘇 宿州 234000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展，化工、冶煉、礦物加工以及電子等行業(yè)都產(chǎn)生了大量的重金屬工業(yè)廢水，這些重金屬?gòu)U水已經(jīng)成為對(duì)環(huán)境污染最嚴(yán)重、對(duì)人體危害最大的工業(yè)廢水之一[1]。目前，對(duì)于重金屬?gòu)U水的處理方法層出不窮，主要包括離子交換、電化學(xué)處理、沉淀、膜分離等，在這些處理方法中，吸附法以其安全、簡(jiǎn)單、低能耗等特點(diǎn)已經(jīng)成為最實(shí)用的處理方法[2]。

殼聚糖作為天然高分子甲殼素脫乙?；漠a(chǎn)物，分子鏈含有大量的羥基和氨基，使其能夠與大多數(shù)過(guò)渡金屬離子形成穩(wěn)定的螯合物，此外，殼聚糖還具有原料豐富、價(jià)格便宜、無(wú)二次污染以及可降解等優(yōu)點(diǎn)，使其成為了一種廣泛使用的重金屬離子吸附劑[3]。但是，由于分子內(nèi)與分子間氫鍵的作用，導(dǎo)致殼聚糖溶解性較差，極大限制了殼聚糖的應(yīng)用，因此需要對(duì)殼聚糖進(jìn)行改性[4]。

目前，對(duì)于殼聚糖改性的方法主要有交聯(lián)改性、接枝改性、季銨鹽改性、羧基化改性等等，通過(guò)對(duì)殼聚糖改性改善其溶解性、穩(wěn)定性以及吸附性能[5]。本文利用微波加熱均勻、加熱效率高等特點(diǎn)，制備改性殼聚糖，然后以改性殼聚糖作為吸附劑，研究其對(duì)鎳離子的吸附性能，以期為改性殼聚糖處理重金屬工業(yè)廢水提供一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

殼聚糖(脫乙酰度大于90%)，鄭州義多利化工產(chǎn)品有限公司。乙酸、雙氧水、過(guò)硫酸鈣以及硫酸鎳等試劑均為分析純。

1.2 微波輔助改性殼聚糖制備裝置

微波輔助改性殼聚糖制備裝置示意圖如圖1所示，主要由磁控管、換能器、冷凝器以及反應(yīng)容器等部分構(gòu)成，微波最大輸出功率為800 W[6]。

圖1 微波輔助殼聚糖改性反應(yīng)裝置示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 微波輔助改性殼聚糖的制備

稱量1.5 g殼聚糖樣品置于250 mL燒瓶中，向燒瓶中加入40 mL 2%乙酸溶液，殼聚糖完全溶解后，緩慢加入15 mL 5%雙氧水，將混合溶液放置在微波合成反應(yīng)器中，設(shè)置反應(yīng)溫度為70 ℃、微波功率為200 W的條件下反應(yīng)10 min。然后用5%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至7，抽濾，收集濾液，將約3倍濾液體積的無(wú)水乙醇倒入濾液中，待沉淀完全后，在轉(zhuǎn)速8000 r/min下離心0.5 h，然后再用無(wú)水乙醇和去離子水洗滌3次。最后，把沉淀置于真空干燥箱中，于60℃條件下干燥12 h，得到改性殼聚糖[7]。

1.3.2 鎳離子含量測(cè)定

參照文獻(xiàn)[4]，采用丁二酮肟分光光度法測(cè)定廢水中鎳離子含量，在465 nm處，測(cè)定不同溶液的吸光度，以Ni2+的質(zhì)量濃度X(mg/L)為橫坐標(biāo)，吸光A為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到線性回歸方程為A=0.0556C+0.0059，線性相關(guān)度R2=0.99814，表明線性關(guān)系良好。

1.3.3 改性殼聚糖吸附實(shí)驗(yàn)

1.3.3.1 吸附劑質(zhì)量對(duì)吸附實(shí)驗(yàn)的影響

分別稱取改性殼聚糖0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 g置于250 mL的錐形瓶中，向其中分別加入1 mg/mL含鎳廢水溶液30 mL，在溫度為40 ℃下置于恒溫?fù)u床中振蕩60 min，然后測(cè)定樣品的吸光度。

1.3.3.2 振蕩溫度對(duì)吸附實(shí)驗(yàn)的影響

準(zhǔn)確稱取的0.25 g改性殼聚糖置于250 mL錐形瓶中，向其中加入1 mg/mL含鎳廢水溶液30 mL，分別在吸附溫度設(shè)置為20、30、40、50、60 ℃下吸附60 min，待吸附平衡后，測(cè)定不同樣品中的吸光度。

1.3.3.3 靜態(tài)吸附曲線

稱取0.25 g改性殼聚糖放于250 mL錐形瓶中，依次加入 1 mg/mL Ni2+廢水30 mL，于40 ℃的振蕩溫度下吸附，每隔10 min測(cè)定溶液中鎳離子濃度，繪制靜態(tài)吸附曲線。

1.3.4 吸附率的計(jì)算

改性殼聚糖吸附鎳離子效果用吸附量和吸附率表示，其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

其中，Qe(mg/g)表示達(dá)到吸附平衡時(shí)吸附量，E表示吸附率，C0(mg/mL)和Ce(mg/mL)分別表示開始吸附時(shí)和吸附達(dá)到平衡時(shí)溶液中鎳離子的濃度，V(mL)表示樣品溶液體積。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 改性殼聚糖質(zhì)量對(duì)吸附效果的影響

改性殼聚糖質(zhì)量對(duì)吸附效果的影響見圖2。由圖2可知，隨著改性殼聚糖質(zhì)量的增大，鎳離子的吸附率越來(lái)越大，當(dāng)改性殼聚糖質(zhì)量大于0.25 g后吸附率增加緩慢。這可能是由于隨著吸附劑質(zhì)量增加，吸附中心數(shù)目增多，導(dǎo)致吸附率提高，故確定改性殼聚糖的用量為0.25 g。

圖2 改性殼聚糖質(zhì)量對(duì)吸附效果的影響

2.2 吸附溫度對(duì)吸附效果的影響

吸附溫度對(duì)改性殼聚糖吸附鎳離子的影響見圖3。由圖3可知隨著吸附溫度的變化，改性殼聚糖對(duì)鎳離子的吸附率先迅速增大，而后逐漸趨于平緩。這可能是由于隨著吸附溫度的提高，分子運(yùn)動(dòng)加劇，致使鎳離子遷移速率增大，同時(shí)，隨著吸附溫度升高，有利于達(dá)到吸附過(guò)程所需的吸附活化能，導(dǎo)致吸附率增大，因此改性殼聚糖吸附鎳離子的溫度選擇為40 ℃。

圖3 吸附溫度對(duì)吸附效果的影響

2.3 靜態(tài)吸附曲線

靜態(tài)吸附曲線測(cè)定結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鎳離子吸附率逐漸增大，當(dāng)吸附時(shí)間超過(guò)60 min以后吸附趨于平衡，吸附率基本不變。這是由于剛開始吸附時(shí)，吸附過(guò)程主要發(fā)生在改性殼聚糖的外表面，吸附過(guò)程阻力小，吸附速率較大，而后，隨著吸附過(guò)程的進(jìn)行，改性殼聚糖外表面的吸附位點(diǎn)基本達(dá)到吸附飽和，鎳離子開始向吸附劑內(nèi)部擴(kuò)散，吸附阻力增大，同時(shí)，吸附劑中鎳離子與溶液中鎳離子的濃度差逐漸減小，吸附推動(dòng)力逐漸減小，吸附過(guò)程趨于平衡，因此通過(guò)靜態(tài)吸附曲線確定的吸附時(shí)間為60 min。

圖4 靜態(tài)吸附曲線

3 結(jié)論

本研究利用微波輔助技術(shù)制備改性殼聚糖，利用吸附實(shí)驗(yàn)確定改性殼聚糖對(duì)鎳離子的吸附條件，結(jié)果表明改性殼聚糖用量為0.25 g，吸附溫度為40℃，達(dá)到吸附平衡時(shí)間為60 min。