棉花殼吸附劑的制備及其對孔雀石綠的吸附特性

楊麗娟，蔣友娟，李小敏

(伊犁師范大學 化學與環境科學學院 污染物化學與環境治理重點實驗室，新疆 伊寧 835000)

我國特大型產棉基地新疆擁有豐富的棉花資源，而棉花殼作為農產品的廢棄物，如果不經過資源化方式的處理，堆積在環境中是造成火災的潛在隱患，其中含有的大量木質素也將會被浪費[1]。以其為原料制備新型工業產品是解決大量廢棄棉花殼的可行性方式。

高效水污染物吸附劑是當前研究熱點，隨著染料工業的發展，進入環境的染料數量和種類俱增。每生產1 t染料，將有2%的產品隨廢水流失，而印染過程中損失的染料可達10%[2-3]。合成染料大多具有生物毒性和致畸致癌性，難自然降解?？兹甘G是其中一種，其本身和代謝產物無色孔雀石綠均有毒害作用[3]，是潛在的生態環境污染物種。

各類染料廢水的處理方法中，以高性能吸附劑制備為核心的吸附法的研究最為廣泛。胡巧開等[4]利用板栗殼制備了一種活性炭對質量濃度為9.74 mg/L的活性艷橙的脫色率高達92%以上，但板栗殼回收困難，不具有推廣價值。廉價易得的城市生活污水廠脫水污泥和棉花殼為原料被張惠靈等[5]以氯化鋅為活化劑制備復合吸附劑處理亞甲基藍廢水其性能較好，但并未對測試條件進行系統的探究。利用棉花殼為原料制備吸附劑處理染料污水具有良好的應用前景，但當前技術使用棉花殼制備高性能的水污染吸附劑的研究較少。

本文采用化學修飾方法及輔助手段進行吸附研究，制備棉花殼吸附劑處理有毒有害的孔雀綠廢水，探討其吸附機制和吸附動力學，尋找出最佳的吸附條件。在傳統的單因素實驗基礎上，采用響應面設計優化實驗步驟，為農業廢棄物資源的再利用提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

實驗中所用棉花殼取自新疆塔城地區，所用試劑氫氧化鈉(NaOH)、孔雀石綠(C23H25ClN2)均為分析純購買自天津市福晨化學試劑廠，實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 實驗儀器

7500F型場發射掃描電子顯微鏡(日本日立公司)，IR prestige-21型紅外光譜儀(日本島津公司)， 723PC型紫外可見分光光度計(上海菁華儀器有限公司)，常規加熱或攪拌儀器。

1.3 吸附劑的制備

將棉花殼粉碎，篩選出1.8×105～2.5×105nm粒徑的棉花殼備用，稱取一定量的棉花殼原料，置于燒杯中，加入新制一定濃度的氫氧化鈉溶液，在一定溫度下的水浴鍋中加熱攪拌，攪拌一定時間后，將所得混合物用去離子水抽濾洗至中性，置于60 ℃烘箱中干燥4 h，去除水分，即得到改性后的棉花殼吸附劑，裝袋備用，標注為改性棉花殼?？刂破渲械臍溲趸c濃度為0～1 mol/L，溫度為25、30、60、90、120、150 ℃等6個梯度，制備不同性能的改性棉花殼吸附劑。

1.4 污染物吸附實驗及濃度測定

精確量取25.00 mL一定質量濃度的孔雀石綠置于100 mL錐形瓶中，加入一定質量的最優條件下改性的棉花殼吸附劑，置于水浴恒溫振蕩器中，控制搖床頻率(轉速)，溫度和時間，振蕩吸附，將吸附后的溶液靜置至室溫，取上層清液后測其吸光度，根據標準曲線計算吸附量q和去除率E[17]計算。實驗中采用可見分光光度法，以蒸餾水為參比，在波長617 nm處測定吸光度。以濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制出一系列孔雀石綠的標準曲線，其標準曲線方程為：

y=0.033 9x-0.102 5,R2=0.999 6

(1)

2 結果與討論

2.1 材料的表征

利用掃描電鏡對棉花殼吸附劑進行形貌掃描分析，對改性前后和吸附后的棉花殼表面進行掃描攝像，可以得到棉花殼表面放大500倍后的形貌圖，改性前后棉花殼的形態變化見圖1?？梢?，未改性棉花殼表面含有豐富的纖維素，呈現明顯條狀鏈接外貌，分散不均勻，骨架結構之間有填充物[6]。經氫氧化鈉改性后的棉花殼表面有大量的空隙結構，且分布較為均勻、光滑，這將有利于提高其吸附性能。

圖1 改性前后棉花殼的形態變化(×500)

圖2 改性前后棉花殼和吸附孔雀石綠后的紅外圖譜

2.2 棉花殼最佳改性條件

2.2.1 NaOH濃度對棉花殼改性的影響

分別取0.10 g各經不同NaOH濃度改性的棉花殼置于小錐形瓶中，并加入100 mg/L孔雀石綠染料25 mL ，于水浴恒溫振蕩器內振蕩30 min，溫度控制在25 ℃，振蕩速率150 r/min，靜置10 min，在可見分光光度計下617 nm處測其吸光度。初始孔雀石綠染料質量濃度100 mg/L，固液比4 g/L，振蕩時間30 min，振蕩溫度25 ℃，振蕩速率150 r/min條件下。NaOH濃度對改性棉花殼吸附孔雀石綠的影響見圖3?？梢姡琋aOH濃度在0.20 mol/L之前時，棉花殼吸附孔雀石綠的吸附量和去除率均隨濃度的增加而增大，且在0.20 mol/L時達到最大，在NaOH濃度較低時，改性劑中的羥基自由基和棉花殼中的官能團充分交聯反應，增加更多吸附染料分子的官能團并形成更多的小孔和中孔[10-11]；當NaOH濃度由0.2 mol/L增至1.0 mol/L時，棉花殼吸附劑處理孔雀石綠的性能與NaOH改性劑的濃度有關。其吸附量與去除率隨著NaOH改性劑濃度的升高而降低?？赡苁浅^1 mol/L的NaOH會使棉花殼吸附劑上的羧基或羥基官能團脫離或被破壞，同時，使吸附劑的微孔由于改性劑的腐蝕作用變成大孔，致使吸附量和去除率下降。利用低濃度NaOH改性棉花殼，其表面有著豐富的孔隙結構，使得染料分子向孔隙擴散時的傳質阻力減小[12]，有利于對孔雀石綠的去除。經分析，后續實驗選用氫氧化鈉濃度0.2 mol/L。

圖3 不同氫氧化鈉濃度改性棉花殼對孔雀石綠吸附性能的影響

2.2.2 不同溫度對棉花殼改性的影響

初始孔雀石綠染料質量濃度100 mg/L，固液比4 g/L，振蕩時間30 min，振蕩溫度25 ℃，振蕩速率150 r/min條件下，不同溫度改性棉花殼對孔雀石綠吸附的影響見圖4?？梢钥闯?，吸附量和去除率隨溫度升高呈下降趨勢，在25 ℃時，去除率和吸附量達到最大值?？梢娂尤胍欢溲趸c溶液，隨著溫度的升高，會有少量的氫氧化鈉分解，不利于形成吸附染料分子的官能團，導致吸附效果降低。綜合2.2.1結果分析得出，后續吸附實驗選用氫氧化鈉濃度為0.20 mol/L、改性溫度25 ℃條件下制備的最佳改性吸附劑。

圖4 不同溫度改性棉花殼對孔雀石綠吸附性能的影響

2.3 單因素探究吸附條件

2.3.1 不同吸附時間對棉花殼吸附劑吸附孔雀石綠的影響

本文實驗所用的初始孔雀石綠染料質量濃度100 mg/L，固液比4 g/L，振蕩溫度25 ℃，振蕩速率50 r/min條件下，吸附時間對棉花殼吸附劑吸附孔雀石綠的性能的影響見圖5。可知，隨著吸附時間的增加，吸附量先增加后緩慢降低。吸附時間在10～240 min時，為吸附反應初期[21]，染料主動擴散并快速集聚到吸附劑表面，此時吸附劑表面可供反應的基團多、活性位點也多，吸附速率較快，吸附量和去除率逐漸升高，在240 min時達到最大吸附。自240 min之后，為吸附后期，隨著吸附時間的延長，吸附點位逐漸飽和，繼續吸附，吸附劑表面可能發生解析[22]，導致吸附速率緩慢下降，且吸附量和去除率變化不大，因此選用吸附時間為240 min最適合。

圖5 吸附時間對棉花殼吸附孔雀石綠的影響

2.3.2 不同吸附溫度對吸附孔雀石綠的影響

初始孔雀石綠染料質量濃度100 mg/L，固液比4 g/L，振蕩時間240 min，振蕩速率150 r/min條件下，吸附溫度對棉花殼吸附劑吸附孔雀石綠的性能的影響如圖6所示。隨著溫度從25 ℃增加至30 ℃時，改性棉花殼對孔雀石綠染料的吸附效果明顯增強，隨著溫度的不斷升高，由30 ℃增加至40 ℃時，吸附效果逐漸降低，吸附量和去除率隨之下降，由于棉花殼吸附劑上的氰基、酯基和羥基等官能團的減少致使其處理孔雀石綠吸附容量降低?？梢姡顑炍綔囟冗_到30 ℃時，吸附效果最好。后續實驗選取的吸附溫度為30 ℃。

圖6 吸附溫度對棉花殼吸附孔雀石綠的影響

2.3.3 不同染料質量濃度對吸附孔雀石綠的影響

固液比4 g/L，振蕩時間240 min，振蕩溫度30 ℃，振蕩速率150 r/min條件下,初紿染料質量濃度對棉花殼吸附孔雀石綠的影響見圖7。可見，孔雀石綠染料的初始質量濃度越低，達到平衡的時間越快，去除率越大。隨著染料質量濃度的增加，吸附量在逐漸增大。染料質量濃度在50～200 mg/L時的去除率較大，這是因為該吸附劑的吸附容量較大，故對于初始段質量濃度的染料溶液可基本完全吸附。對于初始質量濃度為200 mg/L和500 mg/L的溶液去除率達到97.24%和94.44%隨著溶液初始質量濃度的增加，孔雀石綠的去除率逐漸降低。染料溶液中的吸附劑用量一定時，其具有的對孔雀石綠的吸附活性位點也時固定的，提高染料質量濃度，將會導致未吸附的染料質量濃度增加，從而吸附效果下降。綜合考慮，后續實驗選取500 mg/L的孔雀石綠染料。

圖7 初始染料質量濃度對棉花殼吸附劑吸附孔雀石綠的影響

2.3.4 不同固液比對吸附孔雀石綠的影響

初始孔雀石綠染料質量濃度500 mg/L，振蕩時間240 min，振蕩溫度30 ℃，振蕩功率150 r/min條件下,不同固液比對棉花殼孔雀石綠的吸附影響見圖8。可以看出，當孔雀石綠質量濃度一定時，吸附容量與吸附劑用量密切相關，吸附劑用量增大從而使溶液中染料的去除率不斷增加，固液比由6 g/L增加到12 g/L時，隨著棉花殼與孔雀石綠的固液比增大，吸附劑對染料的吸附率趨于穩定。吸附劑的單位吸附量隨著吸附劑用量的不斷增加而在不斷降低，這是由于隨著吸附劑用量的增加，在固定體積的溶液中，吸附劑自身之間容易團聚。因此，綜合上述因素考慮，后續實驗選用固液比為3.20 g/L。

圖8 不同固液比吸附孔雀石綠的影響

2.4 響應面法探究最佳吸附條件

依據改性棉花殼吸附孔雀石綠單因素探究實驗選出3種對其吸附效果影響最大的因素：吸附時間、初始染料質量濃度、吸附劑用量。并以此為依據，設計3因素3水平試驗的響應面驗證試驗[13-14]。以吸附量和去除率為響應值，利用統計軟件Design Expert8.0.6可設計得出17組實驗，如表1所示。利用軟件中的ANOVA9(analysis of variance，方差分析)進行分析，擬合出響應值得二階多項式，公式中 “+”表示該因素對響應值有促進作用，相反則為抑制效果，由表2中的P值和F值得出，當P<0.05時，說明該因素或因素組合對響應值影響顯著；當P>0.1時，對響應值影響非常不顯著；本次實驗擬合模型變異系數CV值為為0.38%(去除率)和14.57%(吸附量)。因此該模型擬合性良好。

表1 響應面設計試驗過程及結果

表2 吸附量和去除率的ANOVA分析

去除率=147.90+0.085A+25.75B-33.11C-

0.19AB-0.086AC-3.09BC-

0.64A2-0.89B2+6.25C2

吸附容量=94.66+0.059A-2.51B+3.19C-0.12AB-0.021AC+1.56BC-0.41A2-

0.096B2-1.27C2

響應面實驗中，得出的最優組合為：A=280 min，B=400 mg/L，C=3.20 g，該組合實際值為吸附量120.80 mg/g，去除率96.64%。實驗結果表明最優組合預測值為吸附量117.77 mg/g，去除率96.85%，說明該模型可以用來預測實驗值[15]。

3 結 論

本文實驗采用棉花殼作為原料，經氫氧化鈉改性制備成吸附劑，研究對孔雀石綠染料的吸附性能的影響。經實驗得出最優改性條件為，改性溫度25 ℃，NaOH濃度0.2 mol/L下的改性棉花殼對孔雀石綠吸附效果最好，其吸附量達23.75 mg/g，去除率為95.02%。通過響應面實驗數據分析，響應值的實際值與預測值有較好的相關性，其最佳結果是：吸附時間280 min，初始染料質量濃度400 mg/L，固液比3.20 g/L，該組合實際值為吸附量120.80 mg/g，去除率96.64%。經分析得出最優組合預測值為吸附量117.77 mg/g，去除率96.85%，實驗值和預測值相符。