木質素衍生物合成吸附材料在污水凈化處理中應用

劉凱楠　李國峰

摘 要：木質素是地球上極具潛力的可再生資源，在植物體內，木質素的組分約占三分之一，其含量僅次于纖維素。木質素是自然界中特含芳環的三維網狀天然高分子聚合物，是合成環境友好型材料的主要生物質資源之一；如何有效利用好這種環保型可再生資源，是當下科研的焦點。主要介紹了木質素及其衍生物所合成的復合材料，作為吸附劑應對于染料廢水、重金屬廢水以及含油廢水的處理與凈化研究現狀，探討了木質素及其衍生物作為吸附劑未來的發展趨勢。

關鍵詞：木質素；合成吸附材料；工業污水；廢水處理

中圖分類號：TQ319 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0068-03

Application of lignin and its derivatives as adsorbent materials for the treatment of industrial wastewater

LIU Kainan，LI Guofeng

（College of Petroleum and Chemical Engineering，Xinjiang Career Technical College，Kuitun 833200，Xinjiang China）

Abstract：Lignin is a renewable resource with great potential on earth.In plants，Lignin， comprising approximately one-third of the components， has a content second only to cellulose.Lignin is a three-dimensional network natural polymer containing aromatic rings in nature，so it is one of the main biomass resources for the synthesis of environment-friendly materials.How to effectively use this environment-friendly renewable resource has become the focus of current scientific research.This paper mainly introduces the composite materials synthesized by lignin and its derivatives.The research status of the treatment and purification of dye wastewater，heavy metal wastewater and oily wastewater as adsorbent was discussed.The future development trend of lignin and its derivatives as adsorbent was also discussed.

Key words：lignin;synthetic adsorption material;industrial sewage;wastewater treatment

常見的工業廢水中包含有機染料污水、含油類污水和重金屬污水等［1］。這些廢水的處理是關乎人類健康生存的重大課題。木質素作為地球上極具資源化原料之一，在應對污水處理中被廣泛研究，借助木質素結構中的活性基團對其進行改性制備出具有吸附性能的復合材料，這種復合材料對不同類型的污水具有凈化能力，實現木質素高值化利用。

1 常見的工業污水類型及處理

工業污水又稱為工業廢水、生產污水，是工業生產過程中產生的廢水和廢液，這類污染物中包含了生產原料、中間產物以及副產品，其種類繁多、成分復雜、處理困難。例如工業污水進行電解鹽中含有汞，冶煉含有鉛、鉻等重金屬，紡織含有有機染料，石油煉制含有復雜有機油品［2］。由于工業污水中含有多種的有毒有害物質，對生物和環境都會造成很嚴重的破壞，因此，要綜合利用，轉害為利，經過特定的處理方式達標后再排放。

1.1 有機染料污水及處理

有機染料污水中通常含有發色官能團，其中包括偶氮類 （—NN—） 、羰基類（

—CO—） 、硝基類 （—NO—） 和咪唑類等，還有助色團包括胺類 （—NH2） 、羧基類 （—COOH） 、羥基 （—OH） 類等［3］。這類染料污水長期在水中，使得水體質量變差，嚴重時顏色沉積深厚，使水中植物無法進行光合作用，水中動植物大規模死亡，嚴重影響生態環境。目前，科學研究者主要使用吸附法來應對這類污水。吸附法包括物理吸附法和化學吸附法。

（1） 物理吸附法。利用復合材料豐富的孔道結構，對廢水進行脫色。其優點在于操作簡易、成本低廉，缺點在于分離效率不高；

（2） 化學吸附法。是利用生成共價鍵或離子鍵進行吸附，通常是單層吸附形式。化學吸附中所使用的吸附劑通常含有特殊的官能團，這類官能團具有良好的吸附、螯合和交聯作用。相對于物理吸附法來說，化學吸附法具有一定的選擇性。

物理吸附和化學吸附的異同如表1所示。

1.2 含油類污水及處理

油類物質與水因為二者的密度、表面張力不同，導致二者不相容，但也不易分離［4］。

（1） 電分離法。使用電蒸發作為處理油水的方法，根據其電場對水的作用，削弱其界面膜的強度，進而達到分離效果，此方法適用于油田與煉油廠；

（2） 氣浮分離法。利用油相和水相的溶點、沸點、密度等差異，依靠水相中形成的微小氣泡，從而使水凈化達到分離的效果，其優點是可脫出直徑小于50 μm的油滴，但只針對特定種類的油相；

（3） 乳化水的粗?；舭l法。利用水相與油相二者對于固體物質的親和狀況不同，使用親水疏油的固體物質制成蒸發裝置。這類方法的優點是，分離速度很快，效率高。但對于分離材料的選取具有較高要求，該固體裝置材料必須有良好的濕潤性。

1.3 重金屬污水及處理

重金屬污水主要來源于礦山開采排水、有色金屬冶煉、酸洗磷廢水、電鍍廠加工等生產環節中產生的含有重金屬化學污染廢水，包含了汞、鎘、鎳、銅、鋅、鉛和鉻等金屬元素［5］。重金屬廢水很難通過自然代謝的能力消除，通過富集效果傷害到人類自身。目前常用去除廢水中的重金屬方法：

（1） 電化學法。它是借助電流的作用，將重金屬離子在廢水中發生遷移從而實現廢水凈化的方法，此方法可根據特定金屬的性質選擇性去除；

（2） 生物絮凝法。它是利用微生物代謝產物的方式將重金屬離子絮凝沉淀，達到除去的目的，但濃度過高的金屬離子會產生毒性效應，影響微生物生存；

（3） 膜分離法。它是利用膜材料的選擇透過性去除廢水中的金屬離子，主要方式有反滲透、電滲析、超濾、微濾和納濾等。

2 木質素衍生物分類及處理應用

木質素是一種廣泛存在與自然界中的天然生物高分子材料，因其具有獨特的活性基團和物化性能，并且具有可再生性、可降解等有點，所以被視為綠色化學原料，其改性研究備受關注。原生的木質素化學性質并不穩定，對重金屬、染料的吸附量較小，若想獲得更好的吸附性能，可以通過對其進行改性，例如通過共混、交聯、縮聚、共聚和生成氫鍵等方法對木質素進行改性而獲得木質素的衍生物［6］。通過硫化、磺甲基化、羥甲基化、接枝、縮合等化學修飾方法提高木質素相對分子質量、水溶性和表明活性。木質素用不同的分離方法可分為硫酸鹽木質素、磺酸鹽木質素、醇解木質素和堿木質素。

2.1 硫酸鹽木質素在污水處理中的應用

硫酸鹽木質素的產生是在NaOH與Na2S蒸煮、酸性的環境中進行的，再經過酸化、中和、過濾和洗滌獲得最終產物。在反應過程中木質素分子間的連接鍵，在堿性離子OH-、HS-、S2-作用下斷裂重組，進而生成具有水溶性的木質素。硫酸鹽木質素中含有酚羥基基團和羧基基團等特殊官能團，達到了木質素改性的效果，但硫酸鹽木質素含有一定量的硫醇基團，使其具有一定的疏水效果，因此較難溶于中性的溶液。采用2，3-環氧丙基三甲基氯化銨對木質素改性獲得木質素-EPTAC，該吸附材料對染發廢水具有較好脫色效果，實驗證明在木質素-EPTAC質量濃度為460 mg/L時，吸附平衡時間為30 min，最佳去除率為98.1%。利用多金屬氧酸鹽氧化木質素，使其分子結構中含氧的官能團數量成倍增加，對Pb2+和Cd2+的吸附量分別提升了2倍和3倍的效果[8]。

2.2 磺酸鹽木質素在污水處理中的應用

磺酸鹽木質素又稱為木質素的磺化，是木質素中酚羥基的鄰位與亞硫酸鹽發生取代反應，從而在木質素的結構上引入了磺酸基官能團?；撬猁}木質素對比硫酸鹽木質素其優勢在于，磺酸鹽木質素中含有較多的磺酸鹽基團，使其具有更好的親水性且更易溶于水。但在磺化反應過程中所形成的新的

CC鍵，因此在分離過程中會產生大量但灰分和雜質，需要進一步純化處理。研究發現磺化木質素對重金屬污水中的Cr3+的具有一定的吸附性能，磺化木質素不受離子強度影響，但會受到吸附環境的pH值所影響，實驗證明對Cr3+的最大吸附量為17.97 mg/g，其吸附模型服從偽二級動力學模型，吸附等溫線符合Langmiur方程［9］。用三乙烯四胺對木質素的磺酸鈣進行改性，制備出具有吸附性的符合吸附材料，該吸附劑對鈦黃染料具有一定的吸附性能，最大吸附量可達190.1 mg/g［10］。運用自由基聚合法改性磺酸鹽木質素材料，使其形成多孔結構具有吸附性，實驗表明在pH值為5時，改性磺酸鹽木質素復合材料對Pb2+的吸附容量為345 mg/g，對Cd2+的吸附容量為278 mg/g［11］。

2.3 堿木質素在污水處理中的應用

堿木質素利用NaOH溶液作為處理原料，在高溫高壓的條件下，經過堿法蒸煮分離獲得。木質素在堿性環境中發生水解反應，內部結構中的醚鍵發生斷裂，使其酚羥基官能團結構增多，在此過程中，側鏈受到氧化效果生成羧基，至此堿木質素呈現出聚電解質陰離子行為，使其獲得了易溶于堿性溶液的優勢。研究發現堿性木質素作為吸附劑，對水體重的微量金屬元素Pb2+，其表面功能基團（主要是—OH）是決定堿木質素吸附水溶液中的Pb2+和Zn2+性能的最重要因素［12］。等人在造紙液中提取的堿性木質素經過胺化改性合成復合吸附材料，應對于剛果紅和鉻藍黑染料處理，在質量濃度為20 mg/L的用量下，對兩種染料對去除率可達95.50%和96.20%［13］。用硫代硫酸鈉堿木質素去除廢水重的磷酸根離子以及磷酸鐵離子，研究表面這類堿木質素可以去除廢水中的磷酸根離子，當廢水中含有Fe3+離子時也會共同反應，并發現了反應順序依次為：［Fe2HPO4］4+，［FeH2PO4］2+，［Fe2HPO4］，［Fe（HPO4）2］［14］。

3 結語

木質素來源廣泛廉價易得，是最具資源化的原料之一，其結構中又含有多種活性官能團，可進一步進行修飾、反應、合成獲得木質素衍生物，利用木質素及其衍生物的吸附性能，開發出可應對多種復雜水環境的吸附劑，使廢水達到凈化的效果。這樣既利用了天然生物高分子資源，又能治理當今水環境的污染情況，對社會環境、經濟效益都有顯著提升。但目前木質素及其衍生物一般為粉狀或塊狀的顆粒材料，孔道結構不穩定，水力學性能有待提高，因此在水處理規模化使用中仍有極大的發展潛力，今后木質素及其衍生物還可以利用其高分子結構特性，制備出均相或異相膜材料來凈化廢水，達到更高效率的廢水凈化效果。

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收稿日期：2023-01-27；修回日期：2023-05-10

作者簡介：劉凱楠（1996-），男，碩士，研究方向：高分子材料；E-mail：306704281@qq.com。

通訊作者：李國峰（1987-），男，副教授，研究方向：工業催化；E-mail：419987266@qq.com。

基金項目：新疆應用職業技術學院2022年度科研規劃青藍項目（項目編號：XYZY2022KZD012）。

引文格式：劉凱楠，李國峰.木質素衍生物合成吸附材料在污水凈化處理中應用[J].粘接，2023，50（6）：68-70.