殼聚糖和高爐渣復合材料的制備及其對污水處理的研究

武學文，付巖，陳浩宇，楊靜

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殼聚糖和高爐渣復合材料的制備及其對污水處理的研究

武學文，付巖，陳浩宇，楊靜

（沈陽理工大學 環境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110159）

將殼聚糖和高爐渣制成復合吸附劑，采用振蕩吸附實驗，探究了吸附劑的投加量、粒度、振蕩時間以及高爐渣與殼聚糖的配比對銅離子廢水吸附效果的影響。實驗結果表明，當投加量為5.0g/L，粒度為100目，振蕩時間為2 h，高爐渣與殼聚糖的配比為30:1時，復合吸附劑對Cu2+的吸附達到最佳。

殼聚糖；高爐渣；銅離子廢水

隨著科技的發展，環境問題已經成為當下時局的熱點話題，工業廢水的排放更是環境保護的重要課題?，F代廢水處理主要分為三類：物理處理法、化學處理法和生物處理法。吸附法是除去廢水中重金屬離子的重要方法之一，其原料易得，且價格便宜，對于廢水中重金屬離子的去除效果也十分顯著，所以很受關注，是當下處理廢水中重金屬離子的主要手段[1-2]。

重金屬的毒性及其在食物鏈中生物累積的危險是現代社會面臨的環境和健康的主要問題之一[3]。工業廢水中往往含有大量的銅，土壤的含銅量已經達到土壤原始含銅量的數十倍之多，對動物、植物、微生物危害嚴重。工業廢水除銅則顯得尤為重要。對于當代工業廢水中的銅的處理方法很多，其中高爐渣對銅離子有顯著的吸附作用，平均吸附水平達90％以上，是良好的銅吸附劑，而且價格便宜，易于獲得，因此得到廣泛的認可。但由于現代工業對吸附劑的要求越來越高，一般的高爐渣吸附劑效果難以滿足工業生產條件。因此，大量的對高爐渣進行改性的研究實驗不斷涌現[4-5]。近年來，作為新興吸附劑材料，殼聚糖及其改性物分子中因含有大量的羥基和氨基，對金屬離子具有很強的螯合作用，而受到廣泛關注[6]，通過殼聚糖改性處理高爐渣的吸附性研究也取得了一定的成果，成為了高爐渣吸附問題的熱點課題。

本文使用殼聚糖對高爐渣進行復合處理，來測試其對銅離子的吸附效果，系統的研究了不同參量對吸附效果的影響，確定了最佳吸附效果的相關參數，從而拓寬了高爐渣的綜合利用，研發出新型、廉價的吸附劑。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和試劑

高爐渣：取自沈陽市蘇家屯區冬明鋼管廠，粉碎后過60目、100目、150目、200目篩烘干備用；殼聚糖：脫乙酰度80.0％~95.0％。

1.2 主要儀器

800電動離心機：上海江星儀器有限公司；721型可見分光光度計：上海光譜儀器有限公司；HH-1數顯恒溫水浴鍋：常州國華電器有限公司；JA1203N電子天平：上海精密科學儀器有限公司；GZ-1205數顯電動攪拌器：江蘇金壇市友聯儀器研究所；JB-2定時雙向磁力加熱攪拌器：江蘇金壇市金城國勝實驗儀器廠；101-0型A數顯電熱恒溫鼓風干燥箱:上海錦屏儀器儀表有限公司；HY-5回旋式振蕩器：江蘇金壇市友聯儀器研究所。

1.3 殼聚糖-高爐渣復合吸附劑的制備

稱取若干殼聚糖，溶于質量分數為2％的乙酸中，配制成殼聚糖質量分數為1％的混合溶液，將(高爐渣)：（殼聚糖）按照一定的比例，在混合溶液中加入高爐渣，在水浴溫度為60 ℃下機械攪拌50 min后，80 ℃烘干、研磨、過相關目篩，制得復合吸附劑，放入密封袋中備用[1]。

1.4 實驗方法

量取一定濃度的CuSO4溶液10 mL，置于25 mL的錐形瓶中，加入一定量的吸附劑，在振蕩器上以200 r/min的轉速振蕩一定時間后，靜置，在轉速3500 r/min的條件下離心10 min。取適量的上清液，利用二乙基二硫代氨基甲酸鈉萃取光度法[7]測定上清液中Cu2+的濃度。并按下式計算Cu2+的去除率：去除率=（1-/0）×100％，式中0和分別為吸附前、后的吸光度。

2 實驗結果與討論

2.1 復合吸附劑投加量對吸附效果的影響

室溫下，分別以3.0、3.5、4.0、4.5、4.0、5.0、5.5、6.0 g/L的投加量在10 mL濃度為400 mg/L的CuSO4溶液中投加200目的復合吸附劑，振蕩吸附1 h后，離心10 min，測定上清液的吸光度，并計算去除率。結果如圖1所示。

圖1 復合吸附劑投加量對吸附效果的影響

溶液中的Cu2+的去除率隨復合吸附劑投加量的增加而呈現明顯的遞增趨勢。當投加量為5.0 g/L時，Cu2+的去除率達到最大，而后吸附趨于平衡，去除率不再上升。

2.2 復合吸附劑粒度對吸附效果的影響

室溫下，分別將60目、100目、150目、200目的高爐渣（BFS）和復合吸附劑（C-BFS）以3.5 g/L的投加量，加入10 mL濃度為400 mg/L的CuSO4溶液中，振蕩吸附1 h后，離心10 min，測定上清液的吸光度，并計算去除率。結果見圖2。

復合吸附劑的粒度對其吸附Cu2+有較大的影響，當粒度大于100目后，Cu2+的去除率顯著下降；粒度小于100目時，Cu2+的去除率隨粒度的增大而增加。這是由于隨著吸附劑粒度的增加，其比表面增大，吸附能力增強。且復合吸附劑吸附能力明顯高于高爐渣的吸附能力，從而印證了本實驗的意義。

2.3 振蕩吸附時間對吸附效果的影響

室溫下，將粒度為200目的復合吸附劑以3.5 g/L的投加量，加入10 mL濃度為400 mg/L的CuSO4溶液中，分別振蕩0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h后，離心10 min，測定上清液的吸光度，并計算去除率。結果如圖3所示。

圖2 復合吸附劑粒度對吸附效果的影響

圖3 振蕩吸附時間對吸附效果的影響

振蕩吸附時間從0.5 h增加到2.0 h，Cu2+的去除率也隨之增加，當振蕩吸附時間超過2.0 h之后，Cu2+的濃度基本不再發生變化，達到吸附平衡。

2.4 高爐渣-殼聚糖復合吸附劑配比對吸附效果的影響

室溫下，將殼聚糖的質量固定，改變高爐渣的投加質量，按照質量比（殼聚糖）：(高爐渣）為1∶20、1∶25、1∶30、1∶35制備4種不同的吸附劑（200目）。以3.5 g/L的投加量投加到10 mL濃度為400 mg/L的CuSO4溶液中，振蕩吸附1 h后，離心10 min，測定上清液的吸光度，并計算去除率。結果見圖4。

隨著高爐渣與殼聚糖質量比的增加，Cu2+的去除率先增大后減小，當高爐渣與殼聚糖質量比為30∶1時，Cu2+的去除率可達90％以上。

3 結論

在殼聚糖與高爐渣復合過程中，殼聚糖聚集纏繞在高爐渣的表面上，使高爐渣細小顆粒之間發生粘附，復合物表面粗糙不平，從而增大了高爐渣的比表面，提高了其對Cu2+廢水吸附能力。

圖4 高爐渣-殼聚糖復合吸附劑配比對吸附效果的影響

實驗結果表明復合吸附劑對Cu2+具有較強的吸附作用，當復合吸附劑的投加量達到5.0 g/L時，Cu2+的去除率可達97.85％。高爐渣-殼聚糖復合吸附劑對Cu2+的吸附在2 h即可達到平衡；按殼聚糖/高爐渣質量比為1∶30時，Cu2+的去除率可達90％以上；復合吸附劑的粒度為100目時，吸附效果最佳Cu2+的去除率達95％以上。

［1］沈俊菊，王麗娟，李海霞，李彥儒. 殼聚糖改性高爐渣對水溶性染料的吸附[J]. 化工環保，2013, 33(5): 437-441.

［2］貝利平，單寶田，唐洪杰，陸金仁. 殼聚糖的改性及其在重金屬吸附方面的應用[J]. 海洋科學，2010，34 (6): 100-103.

［3］葛華才，武娜娜. 改性殼聚糖吸附Cr(VI)的應用研究進展[J]. 材料導報，2013，27 (7)：87-89.

［4］蔣艷紅，馬少健，廖芳艷. 高爐渣對鉻離子的吸附特性研究[J].有色礦冶，2005，21 (2)：155-157.

［5］廖芳艷，馬少健. 高爐渣處理含銅離子廢水的試驗研究[J]. 中國非金屬礦工業導刊，2007，64 (2)：34-35+138.

［6］李琛. 改性殼聚糖處理重金屬廢水研究現狀[J]. 電鍍與飾，2011，33 (10): 21-25.

［7］鄭禮勝，王士龍，等. 礦渣對廢水中鉛、鉻的吸附去除試驗[J].上海環境科學，1999 (4)：165-166+172.

Study on Preparation of Chitosan and Blast Furnace Slag Composite Material and its Application in Wastewater Treatment

WU Xue-wen, FU Yan, CHEN Hao-yu, YANG Jing

（College of Environmental and Chemical Engineering, ShenYang Ligong University, Shenyang Liaoning 110159，China)

In this paper, chitosan and blast furnace slag were made into composite adsorbent. Through the oscillation adsorption experiment, the effects of adsorbent dosage, particle size, oscillation time and the ratio of blast furnace slag and chitosan on the adsorption of copper ion wastewater were investigated. The experiment results show that when the dosage is 5.0g/L, the particle size is 100 mesh, the oscillation time is 2h, and the ratio of blast furnace slag to chitosan is 30:1, the adsorption of Cu2+by composite adsorbent is the best.

Chitosan; Blast furnace slag; Copper ion wastewater

2016-03-13

武學文（1995-），男，河北省張家口市人，研究方向：腐蝕與防護。

遼寧省大學生創新創業訓練計劃項目,項目號：201610144041。

X 703

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1004-0935（2017）05-0429-03