改性淀粉對水樣中銅離子的吸附性能研究

苗秀榮 ， 王雪萍

(太原工業(yè)學院 環(huán)境與安全工程系 ， 山西 太原 030008)

隨著工業(yè)化規(guī)模增大和人類活動的增多，大量的工業(yè)廢水被排入收納水體。據(jù)不完全統(tǒng)計，每年都會有大量的重金屬通過各種途徑進入到環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)當中，其中銅有14.7萬t，汞有1.2萬t，砷有12.5萬t，并且這一數(shù)據(jù)還在逐年增長[1]。銅會影響人體的造血功能、部分酶的活性及內(nèi)分泌系統(tǒng)的穩(wěn)定。若攝取銅過量,會引發(fā)嘔吐、腹痛。銅阻礙農(nóng)作物的生長。同時，銅也不利于水體的自凈過程[2]。本文用交聯(lián)劑對淀粉進行改性，得到的復合淀粉具有多種改性淀粉獨有的性能優(yōu)勢，對水樣中的銅離子進行吸附性能研究。

1 實驗部分

1.1 淀粉微球的制備

稱取1.697 4 g可溶性淀粉和0.576 8 gβ-環(huán)糊精于150 mL容量瓶，加入15 mL蒸餾水，攪拌后制得淀粉乳。加入1 mol/L的氫氧化鈉堿性溶液，在pH值計的測量下調(diào)節(jié)至溶液的pH值為11，在85 ℃的恒溫水浴鍋中靜置幾分鐘使其發(fā)生糊化作用，淀粉完全溶解后制得的溶液稱為水相。

分別將不同質(zhì)量的乳化劑司盤60及吐溫60混合后加入大豆油中，放置在60 ℃的水浴鍋中，輔以攪拌使其溶解，考察兩種乳化劑的質(zhì)量比與乳化劑添加量是否會影響制得溶液的穩(wěn)定性。兩種乳化劑質(zhì)量比(司盤60∶吐溫60)達到9∶1時，且乳化劑的添加量為1 g/(100 mL)(油相)時溶液穩(wěn)定性好。當乳化劑的加入量較小時，由于界面所吸附的分子少，界面膜的韌度低，易形成較大粒徑的液滴，溶液的穩(wěn)定性差[2]。但加入過多，穩(wěn)定性變差，會導致其乳化能力喪失。

稱取8.009 1 g司盤60和0.889 9 g吐溫60，放置于60 ℃的水浴鍋中，慢慢溶解混合。冷卻后變成的固體，就是復配乳化劑。稱取0.591 8 g復配乳化劑，加入60 mL的大豆油，放置于70 ℃的水浴鍋中，并緩慢攪拌5 min左右，待完全溶解后得到的溶液稱為油相。

在攪拌油相的同時緩慢滴入水相，在攪拌的作用下，會得到均勻的反相乳液，加入6 mL環(huán)氧氯丙烷作交聯(lián)劑，在50 ℃的氣浴恒溫振蕩器中振蕩3 h后，對溶液進行離心操作。撇除上層油相，對剩余的部分依次用乙酸乙酯、無水乙醇、丙酮進行多次洗滌，最后在50 ℃的烘箱中烘干，研磨過后得到目標產(chǎn)品淀粉微球。

1.2 測試淀粉微球的性能

1.2.1測試溶解度

稱取0.2 g的淀粉微球于150 mL的容量瓶中，加入4 mL的蒸餾水，在90 ℃的氣浴恒溫振蕩器中振蕩20 min，觀察其狀態(tài)。

1.2.2測試溶脹性

稱取0.2 g淀粉微球于150 mL的容量瓶，加入20 mL蒸餾水，放在82 ℃恒溫水浴鍋中靜置2 min并輔以攪拌。發(fā)生溶脹后取出冷卻至室溫。稱量選取的濾紙的質(zhì)量為m0，用濾紙進行過濾，得到濾紙加淀粉微球的質(zhì)量為m1。在110 ℃烘箱中干燥后得濾紙加淀粉微球的質(zhì)量為m2。通過下式計算得淀粉的溶脹度：

本實驗測得，m0為0.544 0 g，m1為1.804 4 g，m2為1.169 5 g，則溶脹度為201.50%。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對吸附能力的影響

稱取50 mL配制的銅離子濃度為30 mg/L的廢水于錐形瓶中。將其pH值調(diào)節(jié)為6，加入0.5 g的淀粉微球后，封上一層保鮮膜，然后分別在20、25、30、35、40、50 ℃的溫度下進行振蕩，振蕩125 min后取樣，測其吸光度。根據(jù)繪制的標準曲線得到銅離子的濃度，從而確定吸附的情況，實驗結(jié)果見圖1。

圖1 溫度與吸附量的關(guān)系曲線

由圖1可以看出，淀粉微球吸附銅離子的量開始隨溫度升高而增大，到達最高點后又隨溫度的升高降低。而且，在30～35 ℃內(nèi)吸附量較大。鄭水林等[3]研究認為，溫度升高會加快離子運動的速率，碰撞的幾率增大從而吸附的能力大。但是溫度過高會使已經(jīng)被吸附的銅離子發(fā)生解析，吸附銅離子的最適宜的溫度是35 ℃。

2.2 pH值對吸附能力的影響

稱取50 mL配制的銅離子濃度為30 mg/L的廢水于錐形瓶中，將其pH值分別調(diào)節(jié)為1、2、3、4、5、6、7，依次向錐形瓶內(nèi)加入0.5 g的淀粉微球并且封上一層保鮮膜，放于振蕩器中。調(diào)節(jié)溫度為36 ℃，待125 min后取樣，測其吸光度，根據(jù)繪制的標準曲線得到銅離子的濃度，從而確定吸附的情況，實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 pH值與吸附量的關(guān)系曲線

從圖2可以看到，吸附量隨著pH值的增大而增加；但在pH值>6后，吸附量又開始減少。原因是pH值對復合淀粉表面吸附位點的帶電性有影響，也對金屬離子的離子水化學有影響。當pH值為1～2時，溶液中H+的濃度很高，遷移碰撞的可能性遠超過Cu2+，此時對銅離子的吸附量小。當pH值不斷增加，表面吸附位點的帶電性變成負值，就會有更多的Cu2+被吸附。當pH值>6，溶液中的OH-會與Cu2+結(jié)合并沉淀下來，這也是吸附量又降低的原因，吸附銅離子最適宜的pH值是6。

2.3 時間對吸附能力的影響

稱取50 mL配制的銅離子濃度為30 mg/L的廢水于錐形瓶中，將其pH值調(diào)節(jié)為6，向內(nèi)加入0.5 g的淀粉微球并且封上一層保鮮膜，在35 ℃下的振蕩器中以一定轉(zhuǎn)速振蕩，分別在25、50、75、100、125、150 min的時間取樣，測其吸光度。根據(jù)繪制的標準曲線得到銅離子的濃度，從而確定吸附的情況，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 時間與吸附量的關(guān)系曲線

由圖3可知，吸附量隨著時間的延長而增加。經(jīng)分析，開始階段隨著時間的延長吸附效果比較明顯，原因是有許多活性位點參與吸附反應。隨著反應的進行，吸附位點減少并且根據(jù)同性相斥的原理，使游離的Cu2+進入粒子孔隙內(nèi)部的可能性減少[4]。到125 min后，已經(jīng)被吸附的部分Cu2+可能會由于相互碰撞發(fā)生解吸，使吸附量降低，吸附銅離子最適宜的時間是125 min。

2.4 Cu2+的初始濃度對吸附能力的影響

稱取50 mL的銅離子濃度分別為1、2、3、4、5、6 mg/L的廢水于錐形瓶中，將其pH值調(diào)節(jié)為6，向內(nèi)加入0.5 g的淀粉微球并且封上一層保鮮膜，放于35 ℃的振蕩器內(nèi)，充分振蕩，待125 min后取樣。測其吸光度，根據(jù)繪制的標準曲線銅離子的濃度，從而確定吸附的情況，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 銅離子初始濃度與吸附量的關(guān)系曲線

由圖4可知，在標準曲線測定上限范圍內(nèi)，復合淀粉微球的吸附量與銅離子的初始濃度成正比關(guān)系。原因是隨著濃度的增加，碰撞被捕捉的可能性就增大，但隨著淀粉微球的吸附位達到飽和，吸附量就不再增加，而是保持相對穩(wěn)定[5]。

3 結(jié)論

乳化劑復配過程中，司盤60和吐溫60的質(zhì)量比為9∶1時，得到的溶液穩(wěn)定性好，并且當復配乳化劑的添加量為1 g/(100 mL)(油相)時，溶液穩(wěn)定，分散性較均一。對復合淀粉微球溶解性測定的實驗表明，改性后的淀粉即使在沸水中其溶解能力也較差，說明有部分淀粉發(fā)生了交聯(lián)反應；對復合淀粉微球溶脹性測定的實驗表明，交聯(lián)劑可能會抑制淀粉的溶脹性能。對銅離子的吸附實驗表明：復合淀粉微球在35 ℃，銅離子初始濃度為6 mg/L，吸為附時間125 min，pH值為6的條件下，吸附效果最佳。