殼聚糖交聯微球對水中鎳離子的吸附性能

王　錚，　畢韶丹，　徐冬梅

(沈陽理工大學 環境與化學工程學院，遼寧 沈陽　110159)

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殼聚糖交聯微球對水中鎳離子的吸附性能

王錚，畢韶丹，徐冬梅

(沈陽理工大學 環境與化學工程學院，遼寧 沈陽110159)

摘要：以戊二醛為交聯劑，采用反相懸浮法合成了殼聚糖交聯微球，研究了該微球對Ni2+的吸附性能及其重復使用性。結果表明，殼聚糖交聯微球對Ni2+的吸附條件是25℃時，pH 7.0，在50mL質量濃度為300mg/L Ni2+溶液中，投加0.05g吸附劑，吸附2h，吸附量為45.65mg/g。該微球經0.1mol/L鹽酸解吸后可再生，重復使用7次，吸附量仍可達原來的81.9%。微球良好的再生性顯著降低了處理成本，提高了處理效果，減少了二次污染。

關鍵詞:殼聚糖； 交聯微球； 鎳離子； 吸附

Adsorption Performance of Chitosan Crosslinked Microspheres

for Nickel Ions in Aqueous Solution

WANG Zheng, BI Shaodan， XU Dongmei

(School of Environmental and Chemical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract:Chitosan crosslinked microspheres (CSCM) were prepared by the inverse suspension crosslinking reaction，using glutaraldehyde as the cross-linking agent.Its adsorption properties for Ni2+and reusable properties were studied.The results showed that the uptake amount of nickel ion was up 45.65mg/g at temperature of 25℃,the initial concentration of Ni2+for 300mg/L (50mL),pH 7.0,adsorbent dosage for 0.05g and adsorption time for 2h.The crosslinked microspheres had been proven to be reusable for the removal of metal using hydrochloric acid as regenerant.The adsorption capacity of Ni2+remained 81.9% of initial value after being used seven times.Good regeneration performance will decrease the processing costs significantly,and improve the treatment effect as well as reducing the secondary pollution.

Keyword: chitosan;crosslinked microspheres;nickel ion;adsorption

引言

隨著工業的高速發展，電鍍排放的重金屬廢水不斷增多，對環境的污染也日益嚴重[1-2]。廢水中的鎳離子對環境危害較大，其不能生物降解,對人的危害是易引起過敏性皮炎、嘔吐及腹瀉等癥狀，并且有致癌作用[3]。目前處理鎳離子的方法有離子交換法、化學沉淀法及膜分離等，但成本較高[4-5]。吸附法因工藝操作簡單、成本較低，吸附劑可重復使用，而被廣泛采用，因此制備去除廢水中鎳離子的優良吸附劑是近年的研究熱點。

殼聚糖是一種來源廣泛、無毒害的天然高分子化合物，其成本低廉，可生物降解，分子中含有大量氨基和羥基，可絡合金屬離子，是備受關注的吸附劑新材料[6-11]。本文以殼聚糖為基質，戊二醛為交聯劑，采用反相懸浮法制備粒徑更小的殼聚糖交聯微球(CSCM)，以提高吸附量，同時通過交聯作用降低殼聚糖的酸溶性，增強其機械性能，提高重復使用次數，降低處理成本。CSCM用于模擬廢水中Ni2+的處理，研究其對Ni2+的吸附性能，為環保型吸附劑的開發，以及重金屬廢水的資源化處理提供理論和實踐依據。

1實驗部分

1.1主要儀器與試劑

儀器：TSA-990原子吸收分光光度計；SHZ-Z型數顯水浴恒溫振蕩器；DZX-6050B真空干燥箱。

試劑：殼聚糖(脫乙酰度>90%)，環己烷，戊二醛，Span-80，乙醇，硫酸鎳等，均為分析純。

1.2殼聚糖交聯微球的制備

在三口瓶中加入50mL環己烷和2mL Span-80，在55℃的恒溫水浴中，600r/min轉速下攪拌3min，然后加入20mL 2%的殼聚糖醋酸溶液，保持600r/min轉速攪拌5min后轉速調至500r/min，加入0.8mL 10%戊二醛溶液，交聯反應15min。產物冷卻后乙醇洗，水洗，用3%堿液固化40min，蒸餾水洗至中性，60℃真空干燥，產品干燥保存備用。

1.3吸附實驗

稱取一定量的CSCM，放入盛有50mL 200mg/L Ni2+離子的錐形瓶中，25℃振蕩吸附一定時間，離心分離，取上清液用原子吸收分光光度計測定Ni2+質量濃度，按下式計算吸附量。

(1)

式中：Q為吸附量，mg/g；C0、Ce為吸附前、后Ni2+質量濃度，mg/L；V為溶液體積，L；m為CSCM的質量，g。

1.4再生和重復使用實驗

將吸附鎳離子后的CSCM，放入100mL 0.1mol/L的鹽酸中振蕩解吸1h，用去離子水洗滌數次，直至無Ni2+檢出。將微球濾出，再用3%NaOH固化40min，水洗滌至中性，實現吸附劑再生。用再生的吸附劑，重復1.3實驗，測定吸附量，考察吸附劑的重復使用性能。

2結果與討論

2.1pH對吸附量的影響

按方法1.3，稱取0.05g CSCM微球，振蕩2h，改變溶液的pH，吸附量隨pH變化曲線如圖1所示。

圖1　pH對吸附量的影響

由圖1可見，pH對吸附量有較大影響，隨著pH升高，吸附量逐漸增大。原因是CSCM中含有大量氨基和羥基吸附位點，當pH較小時，溶液中H+濃度較大，氨基和羥基易結合H+質子化，形成—NH3+和—OH2+，與Ni2+離子存在靜電排斥作用，配位能力降低，吸附量減小。隨著pH升高，溶液中H+濃度減小，氨基和羥基吸附位點增多，與Ni2+配位能力增強，吸附量明顯增大。但當pH≥8.0時，OH-濃度增大，與Ni2+生成沉淀，影響吸附，因此選擇吸附pH為7.0。

2.2投加量對吸附量的影響

按方法1.3，pH=7.0，吸附時間t為2h，改變CSCM的投加量，吸附量隨投加量變化曲線如圖2所示。

由圖2可見，隨著CSCM投加質量的增加，吸附量逐漸下降。這是由于當吸附劑較少與大量的Ni2+接觸時，吸附劑的吸附位點絡合Ni2+的幾率很高，吸附位點多數被占滿，吸附量較大；當投加量增大時，吸附劑的吸附位點數大大增多，而Ni2+濃度不變，吸附位點絡合Ni2+的幾率降低，吸附量有所下降。投加量超過0.05g后，吸附量下降趨勢增大，因此CSCM的投加質量優選為0.05g。

圖2　投加量對吸附量的影響

2.3吸附時間對吸附量的影響

按方法1.3，稱取0.05g CSCM微球，pH=7.0，改變吸附時間，吸附量隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖3　吸附時間對吸附量的影響

由圖3可見，隨吸附時間的延長，吸附量不斷增加。在1h內吸附量增加迅速，增加量為總吸附量的57.0%，1~2h吸附量增加也較快，增加了30.8%，2~4h吸附量增加趨于平緩，增加了8.7%，5h以后只增加了3.5%，考慮到吸附效率，吸附時間t為2h。

2.4初始質量濃度對吸附量的影響

按方法1.3，稱取0.05g CSCM微球，pH=7.0，吸附時間t為2h，改變Ni2+的初始質量濃度，吸附量隨初始質量濃度的變化曲線如圖4所示。

圖4　初始質量濃度對吸附量的影響

由圖4可見，隨著Ni2+初始質量濃度的增加，吸附量逐漸增大。初始質量濃度較低時，吸附量增大的趨勢較大，初始質量濃度較高時，吸附量增大趨勢減小。這是由于初始質量濃度低時，Ni2+數目少，CSCM絡合的Ni2+較少；隨初始質量濃度增加，Ni2+數目增多，離子的擴散速率也加快，CSCM絡合的Ni2+增多；繼續增加初始質量濃度，CSCM絡合Ni2+趨于飽和，吸附量增加緩慢。本實驗初始質量濃度大于400mg/L時，吸附量仍呈增大的趨勢，表明CSCM在高濃度溶液中有較強的吸附能力，不僅在吸附位點發生單分子層化學吸附，還伴隨有多分子層的物理吸附。由于Ni2+初始質量濃度大于300mg/L后，吸附量增加漸緩，因此鎳離子的初始質量濃度選為300mg/L。

2.5CSCM的重復使用性能

按方法1.4，對吸附有Ni2+的CSCM進行解吸-再生，再生后的吸附劑重復使用。CSCM經“吸附-解吸-再生”多次循環后，顏色與形狀基本不變，吸附量隨使用次數的變化如圖5所示。

圖5　吸附量與使用次數的關系

由圖5可見，CSCM隨使用次數的增加，吸附量逐漸降低，但降低幅度較小，每次降低2%左右，重復使用6次后，降低幅度增大，約降低6%。原因是吸附在空隙深處的Ni2+不能完全被解吸，有少量殘留，這使下一次吸附的位點數減少，吸附量降低。重復使用7次CSCM的穩定性良好，吸附量為原來的81.9%，表明該吸附劑有較好的再生和重復使用性能。

3結論

殼聚糖交聯微球對Ni2+有較好的吸附性能，優化的吸附條件為：θ為25℃時，Ni2+初始質量濃度300mg/L，pH 7.0，投加質量0.05g，振蕩吸附2h，吸附量可達45.65mg/g。吸附Ni2+后的CSCM經鹽酸解吸后可再生，重復使用7次，吸附量仍可達原來的81.9%，這大大降低了處理成本和污泥產量，同時解吸后的Ni2+可回收再利用，減少了二次污染。CSCM吸附劑的制備工藝簡單，易于操作，重現性好，是一種可富集和回收水體中Ni2+的環保型吸附劑。

參考文獻

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收稿日期：2015-08-18修回日期： 2015-09-23

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.02.009