孫 燕,任學(xué)勤,陳 莉,張永濤

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院,陜西西安710048)

改性棉纖維中的銅離子吸附性能研究

孫 燕,任學(xué)勤,陳 莉,張永濤

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院,陜西西安710048)

分別用丙酮(20%)、丙酮-氫氧化鈉、丙酮-檸檬酸和低溫等離子體改性工藝對(duì)棉纖維進(jìn)行處理,用改性后的棉纖維吸附溶液中的銅離子,探討了吸附劑投加量、p H值、溶液初始濃度等對(duì)吸附性能的影響。結(jié)果表明,在中性條件下,采用丙酮-氫氧化鈉溶液改性的棉纖維吸附效果最好,最佳吸附條件為吸附劑投加量0.15 g/25 ml,吸附時(shí)間2.5 h;在酸性條件下,采用丙酮-檸檬酸改性的棉纖維的吸附率最高。

改性棉纖維;吸附性能;銅離子

目前,去除廢水中重金屬離子的方法有很多,吸附是其中最有效也是使用最廣泛的方法之一?；钚蕴孔鳛閭鹘y(tǒng)吸附劑吸附廢水中的重金屬離子[1],吸附能力強(qiáng)、去除率高,但成本較高,處理的水質(zhì)也達(dá)不到國標(biāo)要求,所以研究者們都致力于研究一種較經(jīng)濟(jì)的高效吸附劑。利用天然高分子材料制備高效吸附劑的研究越來越受到人們的關(guān)注[2-4],將纖維素纖維用于吸附溶液中的金屬離子,一方面是因?yàn)槠涠嗫椎奈锢斫Y(jié)構(gòu)和較大的比表面積可與金屬離子發(fā)生物理吸附;另一方面由于其含有較多的親水性基團(tuán),如-OH等,可通過離子交換和螯合等方式吸附金屬離子[5-7]。但是原生態(tài)的天然纖維吸附能力并不強(qiáng),需要進(jìn)行一些改性處理。實(shí)驗(yàn)將棉纖維進(jìn)行改性處理后作為吸附劑,將不同改性工藝處理的棉纖維對(duì)銅離子的吸附性能作對(duì)比,研究了銅離子初始濃度、溶液p H值、吸附劑投加量等工藝參數(shù)對(duì)吸附性能的影響,最終得出最佳改性方法和吸附工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

材料:棉纖維;藥品:丙酮、氫氧化鈉、檸檬酸、硫酸銅、碳酸鈉(均為分析純,天津市富宇精細(xì)化工有限公司)。

儀器:JJ-1型精密增力電動(dòng)攪拌機(jī)(上海浦東物理光學(xué)儀器廠),YHW1102型遠(yuǎn)紅外線干燥箱(天津?qū)嶒?yàn)儀器廠),HX203T型電子天平(浙江省慈溪市天車衡器廠),722型可見光分光光度計(jì)、KL-009(1)型p H計(jì)數(shù)顯筆(上海菁華科技儀器有限公司),SY-DT02型低溫等離子體處理儀(蘇州市奧普斯等離子體科技有限公司)。

1.2 空白實(shí)驗(yàn)工藝

將20 g棉纖維洗凈晾干,在干燥箱中60℃條件下烘干,再將棉纖維用剪刀剪碎,儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 改性工藝

丙酮改性工藝:將5 g棉纖維投入750 ml、20%的丙酮溶液中,攪拌2 h,過濾,水洗至無色,60℃條件下烘干。

丙酮-氫氧化鈉改性工藝:將5 g棉纖維先按照丙酮改性工藝處理,然后投入到200 ml、0.1 mol/L的NaOH溶液中,攪拌2.5 h,過濾,投入到200 ml清水中繼續(xù)攪拌30 min,室溫下水洗至中性,55℃條件下烘干。

丙酮-檸檬酸改性工藝:將5 g棉纖維先按照丙酮改性工藝處理,然后投入到100 ml、0.6 mol/L的檸檬酸溶液中,25℃下攪拌2 h,過濾,室溫下水洗至中性, 55℃條件下烘干。

低溫等離子體改性工藝:將5 g棉纖維在低溫等離子體處理儀的功率為60 W,氣壓30 Pa條件下處理2 min。

1.4 濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

用移液器準(zhǔn)確量取濃度分別為0.02、0.04、0.06、0.08和0.1 mol/L的硫酸銅標(biāo)準(zhǔn)溶液,利用分光光度計(jì)在最大吸收波長456 nm處測(cè)量各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)液的吸光度,繪制出濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線,如圖1所示。

1.5 吸附率和吸附量的測(cè)定

室溫條件下,用已知濃度的硫酸銅溶液和吸附劑做吸附實(shí)驗(yàn),待吸附平衡后過濾,取上清液,在其最大吸收波長下測(cè)量吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得出對(duì)應(yīng)的濃度,由吸附前后的濃度差求出吸附量的大小,吸附率按

圖1 濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線

公式(1),吸附量按公式(2)進(jìn)行計(jì)算:

式中 W為吸附率(%);q為銅離子的吸附量(mg/g);Ci為銅離子的起始溶液濃度(mol/L);Cf為銅離子的最終溶液濃度(mol/L);V為銅離子溶液的體積(L);m為吸附劑的質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同改性方法對(duì)吸附性能的影響

室溫稱取未處理的和經(jīng)過4種改性方法處理的棉纖維各0.05 g,依次放入1～5號(hào)燒杯中,加入25 ml、0.08 mol/L的硫酸銅溶液,靜置吸附,分別在1、1.5、2、2.5和3 h時(shí)取出棉纖維吸附劑,吸取上層清液測(cè)其吸光度,在標(biāo)準(zhǔn)曲線中查出其對(duì)應(yīng)的濃度。吸附結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同改性方法對(duì)棉纖維吸附性能的影響

從圖2可知棉纖維對(duì)銅離子的整個(gè)吸附過程可分為三個(gè)階段,即開始吸附階段(1～1.5 h)、快速吸附階段(1.5～2 h)和吸附平衡階段。吸附率隨時(shí)間逐漸增大,達(dá)到極值后吸附率隨時(shí)間的增加反而稍有下降。這是由于吸附過程主要發(fā)生在棉纖維的表面,開始階段棉纖維表面有大量的孔隙和羥基,銅離子很容易進(jìn)入孔隙被吸附,隨著孔隙的大小和羥基數(shù)量的不斷減少,銅離子通過孔隙的阻力逐漸增大,吸附速度減慢,吸附率隨著時(shí)間緩慢增加,直至吸附平衡,隨后部分被吸附的銅離子由于吸附力和濃度差等因素又從棉纖維上解吸下來,所以最佳吸附時(shí)間為2.5 h?？v向比較發(fā)現(xiàn),改性棉纖維的吸附效果均比未改性的好,其中的吸附率最大。這是由于丙酮-氫氧化鈉工藝改性的棉纖維除了一般的吸附外,纖維素分子上結(jié)合的鈉離子與銅離子之間發(fā)生了離子交換。

2.2 吸附劑投加量對(duì)吸附性能的影響

常溫下分別稱取丙酮-氫氧化鈉工藝改性的棉纖維0.05、0.10、0.15、0.20 g投入至25 ml、0.08 mol/L的銅離子溶液中,室溫下靜置吸附2.5 h,根據(jù)上述同種方法測(cè)得其吸附率如下圖3所示。

圖3 吸附劑投加量對(duì)吸附性能的影響

理論上來講吸附劑投加量越多吸附效率就會(huì)越高,從圖3中可看出曲線也基本符合這一理論,但隨著吸附劑用量的增加,吸附率增長的幅度越來越小,在用量為0.15 g/25 ml時(shí),吸附率已基本趨于穩(wěn)定,這是因?yàn)槲絼┝吭黾拥耐瑫r(shí)也增加了吸附位點(diǎn)的數(shù)目,使得對(duì)銅離子的吸附率增大,但銅離子溶液濃度減小使得擴(kuò)散速度減慢,吸附幅度減小甚至趨于零。所以0.15 g/25 ml為吸附劑的最佳使用量,既能有效吸附銅離子,也能降低成本。

2.3 pH值對(duì)吸附性能的影響

分別稱取經(jīng)過4種方法改性的棉纖維1.5 g,依次放入p H值為3、5、7、9的25 ml、0.08 mol/L的銅離子溶液中,室溫下靜置吸附2.5 h,測(cè)各自的吸附量,結(jié)果如圖4所示。

從圖4可看出,p H值對(duì)棉纖維吸附性能的影響較明顯,隨著p H值的增大,銅離子的吸附量都逐漸增大,p H值大于7后吸附量又迅速下降。這是由于p H值偏低時(shí)棉纖維結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞,H+也會(huì)與銅離子會(huì)發(fā)生競(jìng)爭吸附,吸附量較低;p H值偏高時(shí),棉纖維表面占據(jù)了較多的負(fù)電荷,吸附量提高。但p H值偏高,銅離子會(huì)生成氫氧化物沉淀,使吸附無法繼續(xù)進(jìn)行,吸附量急劇下降。當(dāng)溶液呈中性或弱堿性的條件下,丙酮-氫氧化鈉工藝改性棉纖維的吸附量達(dá)到最大。在溶液顯弱酸性時(shí),經(jīng)丙酮-檸檬酸改性的棉纖維吸附效果最好。

圖4 p H值對(duì)棉纖維吸附性能的影響

2.4 初始濃度對(duì)吸附性能的影響

分別稱取丙酮-氫氧化鈉工藝改性棉纖維0.15 g,依次投入到放有0.04、0.06、0.08和0.1 mol/L銅離子溶液中。室溫下靜置吸附2.5 h,測(cè)各自的吸附量,結(jié)果如圖5所示。

圖5 溶液的初始濃度對(duì)棉纖維吸附性能的影響

從圖5可看出,隨著初始銅離子濃度的增大,吸附量上升,這是因?yàn)橐欢康奈絼┑奈轿稽c(diǎn)是一定的,當(dāng)銅離子溶液的質(zhì)量濃度較低時(shí),大量的銅離子被迅速吸附在吸附劑表面,而當(dāng)溶液中的銅離子濃度增大到一定程度時(shí),吸附劑表面的吸附位點(diǎn)達(dá)到飽和,剩余的銅離子不能被吸附,以水合離子的形式存在于溶液中,吸附量反而降低。由此可知,棉纖維適合處理濃度0.08 mol/L左右的金屬廢水,此時(shí)效率最高。

3 結(jié)論

(1)通過改性的方法可明顯提高棉纖維吸附銅離子的能力。

(2)最佳吸附條件為在p H值呈中性或弱堿性時(shí),選用丙酮和NaOH共同改性,吸附劑投入量為0.15 g/25 ml,銅離子濃度為0.08 mol/L,吸附時(shí)間2.5 h;當(dāng)p H值在6附近時(shí),采用丙酮-檸檬酸對(duì)棉纖維進(jìn)行改性效果最佳。

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Study on the Adsorption Performance of Modified Cotton Fiber for Cu2+

SUN Yan,REN Xue-qin,CHEN Li,ZHANG Yong-tao
(School of Textile&Materials,Xi'an Polytechnic University,Xi'an 710048,China)

The cotton fibers treated with acetone(20%),acetone-NaOH,acetone-citric acid and low-temperature plasma respectively were used to adsorb the copper ions in solution.The adsorbent dosage,p H value and initial concentration were studied.The results showed that under neutral conditions,the adsorption performance of cotton fiber treated by acetone-sodium hydroxide solution was the best.The optimum adsorption conditions were adsorbent dosage of 0.15 g/25 ml and adsorption time of 2.5 h.While the cotton fibers modified with acetone-citric acid had the highest adsorption rate under the acidic conditions.

modified cotton fiber;adsorption property;copper ion

TS190.92

:A

:1673-0356(2015)03-0015-03

2015-04-03

孫 燕(1988-),女,在讀碩士研究生,研究方向:紡織新工藝研究,E-mail:414787306@qq.com。