基于綠色化學(xué)策略的以甘蔗渣為原料的高吸水樹脂的合成及其對(duì)Pb2+離子脫附性能的研究

吳海霞 李繼萍 付淵 王曉莉 王玉蘭

摘要：綠色原料、綠色試劑、低耗低溫反應(yīng)條件、有害物質(zhì)處理、綠色可降解低污染化學(xué)產(chǎn)品、避免二次污染、廢物利用等是綠色化學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。以可再生農(nóng)業(yè)廢棄物甘蔗渣為主要原料，經(jīng)醚化改性，與無毒單體丙烯酸，在價(jià)低效高、無毒、過程易控的過硫酸鉀引發(fā)劑作用下聚合制備了一種高吸水樹脂。通過紅外光譜、元素分析、掃描電鏡對(duì)此高吸水樹脂進(jìn)行了表征，并初步研究了該高吸水樹脂對(duì)Pb2+的脫附性能。結(jié)果表明：甘蔗渣經(jīng)醚化改性后與丙烯酸發(fā)生聚合反生成了高吸水樹脂，該高吸水樹脂在酸性溶液中對(duì)Pb2+離子有脫附作用。

關(guān)鍵詞：綠色化學(xué) ?甘蔗渣 ?高吸水樹脂 ?Pb2+離子

中圖分類號(hào)：O636.9 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

綠色化學(xué)是環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)，它是全球環(huán)境危機(jī)下產(chǎn)生的新興化學(xué)領(lǐng)域。自1991年美國化學(xué)會(huì)首次提出綠色化學(xué)概念以來，獲得了迅速的發(fā)展。其研究領(lǐng)域包括綠色原料、綠色試劑、低耗低溫反應(yīng)條件、綠色可降解低污染化學(xué)產(chǎn)品、污染物處理、綠色合成技術(shù)、有害物質(zhì)監(jiān)控、廢棄物質(zhì)利用等多個(gè)方面[1]。

近年來，工業(yè)廢水中重金屬污染對(duì)生態(tài)環(huán)境及人類健康造成了極大威脅。高吸水樹脂中含有大量的羥基、羧基、磺酸基和酰胺基，這些基團(tuán)對(duì)重金屬離子有很強(qiáng)的螯合作用。因此，高吸水樹脂可以用作金屬離子的螯合劑，對(duì)金屬離子進(jìn)行富集、分離和回收[2-3]。Pb是危害最大的重金屬之一，Pb2+在活細(xì)胞中累積會(huì)破壞許多蛋白質(zhì)的代謝功能。廢水中Pb2+傳統(tǒng)的處理方法主要有：沉淀法、溶劑萃取法、離子交換法等，但這些方法成本較高、效果不穩(wěn)定、容易產(chǎn)生二次污染[4]。高吸水樹脂作為一種新型功能高分子材料，在重金屬離子的吸附方面有一系列特殊功能，且高效、價(jià)格低廉，具有巨大的開發(fā)潛力[5]。甘蔗渣是可再生的農(nóng)業(yè)廢棄物，廉價(jià)易得，是巨大的綠色資源寶庫。利用甘蔗渣及其衍生物產(chǎn)品合成高吸水樹脂，吸附處理低濃度重金屬廢水效果好、成本低、不造成二次污染，近年來引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6]。

本文以可再生農(nóng)業(yè)廢棄物甘蔗渣為原料合成了一種高吸水樹脂。研究中關(guān)注使用原料、綠色試劑、低耗合成、避免二次污染等綠色化學(xué)問題。如選用的單體丙烯酸，無毒，接枝聚合物不需要皂化水解，能簡(jiǎn)化合成工藝;選用無毒、價(jià)格低廉的過硫酸鉀作引發(fā)劑，不但引發(fā)效率高、重現(xiàn)性好，而且在反應(yīng)過程中無溫度的劇烈變化，反應(yīng)平穩(wěn)，易于控制。如何使金屬從吸附劑上脫附并再生吸附劑是水處理中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它可使吸附劑得以重復(fù)利用并能回收重金屬，避免二次污染。論文初步研究了高吸水樹脂對(duì)Pb2+離子的脫附性能，以期為拓展高吸水樹脂的應(yīng)用領(lǐng)域和廢水中重金屬離子的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料與試劑

丙烯酸，氫氧化鈉，過硫酸鉀，亞硫酸氫鈉，N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺，上述試劑均為分析純;甘蔗渣，自制。

1.2主要儀器設(shè)備

電子分析天平，電動(dòng)攪拌器，數(shù)顯恒溫水浴鍋，鼓風(fēng)干燥箱，元素分析儀，紅外光譜儀，（KBr壓片），掃描電子顯微鏡;原子吸收光譜儀。

1.3以蔗渣為原料的高吸水樹脂的合成[7-8]

以甘蔗渣為主要原料、水為溶劑進(jìn)行醚化改性;在裝有電動(dòng)攪拌的100ml三口燒瓶中加入一定量的醚化改性甘蔗渣，加去離子水，攪拌混合均勻;加入丙烯酸、過硫酸鉀、N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺，室溫下攪拌混合均勻;氮?dú)獗Ｗo(hù)下水浴逐漸升溫加熱，使醚化改性甘蔗渣纖維素與丙烯酸反應(yīng)至溶液粘稠，停止攪拌;繼續(xù)升溫，反應(yīng)物在沸水浴中保溫約2h;將產(chǎn)物取出剪成小塊置于表面皿中于60℃烘箱中烘干得固體產(chǎn)品;將其粉粹后即得高吸水樹脂。

1.4 高吸水樹脂脫附Pb2+離子的測(cè)試方法

配制pH=1的醋酸、鹽酸、硫酸溶液作為Pb2+離子的脫附劑。將吸附Pb2+離子后的樹脂放到脫附劑中，根據(jù)下式計(jì)算脫附率。

脫附率%= [（Cd×Vd ）/（w×qe1000）]×100

式中Cd為脫附后溶液濃度，mg /L;Vd為脫附溶液體積，ml;w為高吸水樹脂質(zhì)量，g;qe為高吸水樹脂的吸附量，mg/g。

2 結(jié)果與討論

2.1 高吸水樹脂的結(jié)構(gòu)表征

對(duì)合成的高吸水樹脂做了如下表征：紅外光譜（IR）、元素分析、掃描電鏡。

2.1.1紅外光譜（IR）

對(duì)高吸水樹脂進(jìn)行了紅外光譜分析，見圖1。

由圖1可知：在2500-3500cm-1處有寬鋒，說明是羧酸中羥基O-H的伸縮振動(dòng); 2926cm-1左右的是-CH3和-CH2-中C-H伸縮振動(dòng)吸收峰;在1630cm-1左右-COO-的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰;1401 cm-1左右的O-H和C-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)吸收峰;1050-1150cm-1左右的吸收峰是伯、仲醇C-O的伸縮振動(dòng)和醚鍵C-O-C的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰;600-1000cm-1是C-H面外彎曲振動(dòng)吸收峰。紅外譜圖證明甘蔗渣經(jīng)醚化改性后與丙烯酸發(fā)生了聚合反應(yīng)。

2.1.2元素分析

經(jīng)Vario EL cube型元素分析儀測(cè)定，高吸水樹脂的C、H元素含量分別為36.25%，4.273%。

2.1.3掃描電鏡

醚化改性甘蔗渣不同放大倍數(shù)的掃描電鏡圖如圖2。

由圖2可知，高吸水樹脂的表面不平整并且有大量皺褶、形態(tài)均不規(guī)則、含有類似空洞和管狀的結(jié)構(gòu)，這些都說明高吸水樹脂具有比表面積大、相互交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.2高吸水樹脂對(duì)Pb2+離子的脫附性能

分別稱取一定質(zhì)量吸附Pb2+溶液后的高吸水樹脂，依次放入裝有pH=1的醋酸、鹽酸、硫酸脫附劑的燒杯中，測(cè)試高吸水樹脂對(duì)Pb2+離子的脫附性能。結(jié)果為高吸水樹脂在三種溶液中對(duì)Pb2+離子的脫附率依次為1.80%，4.80%，4.25%，Pb2+離子均發(fā)生了脫附作用，在鹽酸中的脫附性能最好。

3 結(jié)論

以可再生農(nóng)業(yè)廢棄物甘蔗渣為主要原料，經(jīng)醚化改性，以無毒丙烯酸為單體，在價(jià)格低廉、沒有毒性的過硫酸鉀引發(fā)劑的作用下聚合生成了一種高吸水樹脂。通過紅外光譜、元素分析、掃描電鏡對(duì)此高吸水樹脂進(jìn)行了表征，并對(duì)該高吸水樹脂對(duì)Pb2+的吸附性能進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明：甘蔗渣經(jīng)醚化改性后與丙烯酸聚合生成高吸水樹脂，該高吸水樹脂在酸性溶液中對(duì)Pb2+離子有脫附作用。

參考文獻(xiàn)

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[7]以甘蔗渣為原料制備羧甲基纖維素的方法[P].溫國華，李茹，李繼萍，柳青，陳超，郭玉婷，王佳鈺，苗秀秀，付淵，藺劍波，趙紅霞.中國專利：CN104163895A，2014-11-26

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基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：NJZY18279）。

作者簡(jiǎn)介：吳海霞（1978-），山西省朔州人，碩士研究生，研究方向?yàn)橛袡C(jī)合成，分析化學(xué)。