改性棉纖維中的銅離子吸附性能研究

孫 燕,任學勤,陳 莉,張永濤

(西安工程大學紡織與材料學院,陜西西安710048)

改性棉纖維中的銅離子吸附性能研究

孫 燕,任學勤,陳 莉,張永濤

(西安工程大學紡織與材料學院,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棉纖維進行處理,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、溶液初始濃度等對吸附性能的影響。結果表明,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。活性炭作為傳統吸附劑吸附廢水中的重金屬離子[1],吸附能力強、去除率高,但成本較高,處理的水質也達不到國標要求,所以研究者們都致力于研究一種較經濟的高效吸附劑。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,一方面是因為其多孔的物理結構和較大的比表面積可與金屬離子發生物理吸附;另一方面由于其含有較多的親水性基團,如-OH等,可通過離子交換和螯合等方式吸附金屬離子[5-7]。但是原生態的天然纖維吸附能力并不強,需要進行一些改性處理。實驗將棉纖維進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銅離子的吸附性能作對比,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對吸附性能的影響,最終得出最佳改性方法和吸附工藝。

1 實驗部分

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,天津市富宇精細化工有限公司)。

儀器:JJ-1型精密增力電動攪拌機(上海浦東物理光學儀器廠),YHW1102型遠紅外線干燥箱(天津實驗儀器廠),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、KL-009(1)型p H計數顯筆(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 空白實驗工藝

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,儲存備用。

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-吸光度標準曲線的繪制

用移液器準確量取濃度分別為0.02、0.04、0.06、0.08和0.1 mol/L的硫酸銅標準溶液,利用分光光度計在最大吸收波長456 nm處測量各個標準液的吸光度,繪制出濃度-吸光度標準曲線,如圖1所示。

1.5 吸附率和吸附量的測定

室溫條件下,用已知濃度的硫酸銅溶液和吸附劑做吸附實驗,待吸附平衡后過濾,取上清液,在其最大吸收波長下測量吸光度,根據標準曲線得出對應的濃度,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-吸光度標準曲線

公式(1),吸附量按公式(2)進行計算:

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為吸附劑的質量(g)。

2 結果與討論

2.1 不同改性方法對吸附性能的影響

室溫稱取未處理的和經過4種改性方法處理的棉纖維各0.05 g,依次放入1～5號燒杯中,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時取出棉纖維吸附劑,吸取上層清液測其吸光度,在標準曲線中查出其對應的濃度。吸附結果如圖2所示。

圖2 不同改性方法對棉纖維吸附性能的影響

從圖2可知棉纖維對銅離子的整個吸附過程可分為三個階段,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。吸附率隨時間逐漸增大,達到極值后吸附率隨時間的增加反而稍有下降。這是由于吸附過程主要發生在棉纖維的表面,開始階段棉纖維表面有大量的孔隙和羥基,銅離子很容易進入孔隙被吸附,隨著孔隙的大小和羥基數量的不斷減少,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,所以最佳吸附時間為2.5 h。縱向比較發現,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,纖維素分子上結合的鈉離子與銅離子之間發生了離子交換。

2.2 吸附劑投加量對吸附性能的影響

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,根據上述同種方法測得其吸附率如下圖3所示。

圖3 吸附劑投加量對吸附性能的影響

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,吸附率已基本趨于穩定,這是因為吸附劑量增加的同時也增加了吸附位點的數目,使得對銅離子的吸附率增大,但銅離子溶液濃度減小使得擴散速度減慢,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值對吸附性能的影響

分別稱取經過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,測各自的吸附量,結果如圖4所示。

從圖4可看出,p H值對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值偏低時棉纖維結構會遭到破壞,H+也會與銅離子會發生競爭吸附,吸附量較低;p H值偏高時,棉纖維表面占據了較多的負電荷,吸附量提高。但p H值偏高,銅離子會生成氫氧化物沉淀,使吸附無法繼續進行,吸附量急劇下降。當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到最大。在溶液顯弱酸性時,經丙酮-檸檬酸改性的棉纖維吸附效果最好。

圖4 p H值對棉纖維吸附性能的影響

2.4 初始濃度對吸附性能的影響

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,測各自的吸附量,結果如圖5所示。

圖5 溶液的初始濃度對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,這是因為一定量的吸附劑的吸附位點是一定的,當銅離子溶液的質量濃度較低時,大量的銅離子被迅速吸附在吸附劑表面,而當溶液中的銅離子濃度增大到一定程度時,吸附劑表面的吸附位點達到飽和,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,此時效率最高。

3 結論

(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,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,吸附時間2.5 h;當p H值在6附近時,采用丙酮-檸檬酸對棉纖維進行改性效果最佳。

[1]楊 駿,秦漲峰,陳戎英.活性碳吸附水中鉛離子的動態研究[J].環境科學,1997,16(5):423-427.

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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。