檸檬酸改性甘蔗渣對(duì)重金屬吸附及再生性能研究

潘沛玲

(肇慶醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校，廣東 肇慶 526200)

近幾年，將廢棄農(nóng)產(chǎn)品打造成吸附劑對(duì)重金屬進(jìn)行吸附逐漸引起廣泛關(guān)注，甘蔗渣是具有代表性的廢棄農(nóng)產(chǎn)品。作為符合可再生條件的生物資源，甘蔗渣通常含有大量木質(zhì)素、纖維素及半纖維素等較為穩(wěn)定的成分，具備制成吸附劑的條件。目前，大量排放的含重金屬?gòu)U水給環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重污染，尤其是鉻、鎘等擁有顯著生物毒性的元素，該類(lèi)元素生物降解難度大。經(jīng)檸檬酸改性的甘蔗渣表面官能團(tuán)更加豐富，吸附作用明顯提升，可實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬物質(zhì)的動(dòng)態(tài)化吸收[1]。

本文選擇甘蔗渣為核心基質(zhì)，利用檸檬酸對(duì)其進(jìn)行改性處理獲得全新吸附劑，以重金屬?gòu)U水為研究主體對(duì)最佳吸附條件進(jìn)行探究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

分光光度計(jì)、磁力攪拌器、熱分析儀、恒溫水浴鍋及干燥箱，宇隆儀器公司(上海)；循環(huán)真空泵，鷹迪儀器設(shè)備公司(上海)；TG-DSC表征采用耐馳科學(xué)儀器公司生產(chǎn)的STA449-F3型同步熱分析儀；SEM表征采用德國(guó)蔡司公司EVO18型掃描電鏡；紅外表征采用日本島津公司MPIR8400S型紅外光譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

將甘蔗渣浸入蒸餾水內(nèi)煮沸50 min，然后用去離子水對(duì)甘蔗渣進(jìn)行反復(fù)浸泡，烘箱中100 ℃烘干，利用粉碎機(jī)做粉碎處理[2]。取甘蔗渣12 g，利用200 mL濃度1.2 mol·L-1的檸檬酸溶液浸泡和攪拌1 h后，將檸檬酸去除。利用蒸餾水對(duì)甘蔗渣進(jìn)行清洗，置于(100～120) ℃下經(jīng)過(guò)12 h烘干，得到檸檬酸改性甘蔗渣。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

將重金屬離子融入去離子水中形成所需溶液，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求確定溶液稀釋的具體數(shù)值，采用分光度計(jì)測(cè)量連續(xù)吸收光譜，確定波長(zhǎng)最大值。然后利用光度計(jì)，對(duì)不同濃度溶液處于最大波長(zhǎng)時(shí)的吸光度進(jìn)行測(cè)量。最后，取一定量溶液，置于錐形瓶?jī)?nèi)，利用鹽酸/氨水對(duì)溶液pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)，加入檸檬酸改性甘蔗渣，放入水浴鍋內(nèi)，在一定時(shí)間和溫度下完成吸附實(shí)驗(yàn)，按照下式計(jì)算吸附率：

吸附率=(1-AC/AO)×100%

式中，AC為吸附后溶液吸光度，AO為吸附前溶液吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附影響因素

考察pH值、吸附時(shí)間、吸附溫度、吸附劑用量對(duì)改性甘蔗渣吸附性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，改性甘蔗渣吸附重金屬的最佳條件為吸附溫度50 ℃；吸附時(shí)間30 min；甘蔗渣用量0.5 g。

表1 不同因素對(duì)改性甘蔗渣吸附性能的影響Table 1 Influence of different factors on adsorption properties of modified bagasse

此外，在相同條件下，對(duì)未改性甘蔗渣、改性甘蔗渣的吸附性能進(jìn)行考察，結(jié)果表明，在濃度固定的重金屬溶液中，分別加入0.5 g未改性甘蔗渣和0.5 g改性甘蔗渣，未改性甘蔗渣的吸附率為43%，改性甘蔗渣的吸附率為90%。由此可見(jiàn)，改性甘蔗渣更適合對(duì)重金屬進(jìn)行吸附。

2.2 TG-DSC

對(duì)甘蔗渣改性前后進(jìn)行熱重分析，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，在溫度未達(dá)到250 ℃時(shí)，未改性甘蔗渣和改性甘蔗渣失重不明顯，當(dāng)溫度到達(dá)250 ℃后，失重較為直觀，這主要是由于高溫使甘蔗渣含有的半纖維素與纖維素裂解。待溫度上升到300 ℃，未改性甘蔗渣的殘留質(zhì)量83%，改性甘蔗渣的殘留質(zhì)量?jī)H有78%，這也從側(cè)面表明改性甘蔗渣的內(nèi)部較未改性甘蔗渣更為疏松，一旦外界環(huán)境快速上升，就會(huì)出現(xiàn)明顯的失重情況。

圖1 甘蔗渣改性前后TG-DSC曲線Figure 1 TG-DSC curves of bagasse before and after modification

2.3 SEM

甘蔗渣改性前后的SEM照片如圖2所示。由圖2可知，經(jīng)檸檬酸改性后的甘蔗渣擁有更為粗糙的表面，有大量微孔結(jié)構(gòu)存在，增加了比表面積，能提供結(jié)合位點(diǎn)的數(shù)量增加。

圖2 甘蔗渣改性前后的SEM照片F(xiàn)igure 2 SEM images of bagasse before and after modification

2.4 IR

甘蔗渣改性前后的IR譜圖如圖3所示。由圖3可知，改性后的甘蔗渣紅外光譜圖有兩個(gè)新峰出現(xiàn)，分別在1 240 cm-1、1 060 cm-1，歸屬為羧酸根不對(duì)稱(chēng)、伸縮吸收峰[4]。由此可見(jiàn)，利用檸檬酸對(duì)甘蔗渣進(jìn)行改性處理，增加了甘蔗渣表面羧基官能團(tuán)的數(shù)量，活性位點(diǎn)的數(shù)量隨之增加。因此吸附劑吸附重金屬的容量也得到顯著提高。

圖3 甘蔗渣改性前后的紅外光譜圖Figure 3 Infrared spectra of bagasse before and after modification

2.5 再生性能

以EDTA為洗脫劑，對(duì)吸附重金屬的改性甘蔗渣進(jìn)行多次吸附/解吸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，吸附量所受損失較小，此外，重金屬回收率均超過(guò)了90%。由此可見(jiàn)，改性甘蔗渣的再生性能較為突出，利用其對(duì)重金屬?gòu)U水進(jìn)行處理，在降低成本的基礎(chǔ)上，降低環(huán)境被污染的可能性。

3 結(jié) 論

利用改性甘蔗渣制備吸附劑，采用檸檬酸改性后可將大量羧基官能團(tuán)引入甘蔗渣內(nèi)部，增加甘蔗渣表面活性位點(diǎn)的數(shù)量，賦予吸附劑更為理想的吸附能力。在各項(xiàng)條件均達(dá)到理想狀態(tài)的前提下，甘蔗渣對(duì)重金屬的吸附率得到顯著提高。