基纖維素的合成及吸附性能研究

基纖維素的合成及吸附性能研究

（sc）基纖維是由纖維中的羥基和硫醇酸通過乙酸和乙酸介質(zhì)中的酯化反應(yīng)產(chǎn)生的。含巰基1%的SC應(yīng)用于分析化學(xué),對(duì)水中多種微量元素進(jìn)行富集、分離已有20多年的歷史,其特點(diǎn)是既能對(duì)重金屬定量吸附,又可根據(jù)不同元素被結(jié)合強(qiáng)度不同,利用不同的洗脫液將共存金屬相互分離。本實(shí)驗(yàn)合成了巰基含量較高的SC,將SC運(yùn)用于處理含重金屬鎘(II)、鉛(II)、銅(II)、汞(II)的廢水,對(duì)處理方法、機(jī)理、SC再生進(jìn)行了研究。1實(shí)驗(yàn)部分1.1儀器和試劑1.1.1sc吸附柱的組裝721型分光光度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司);PHS-2C型精密酸度計(jì)(上海雷磁儀器廠);101-2恒溫干燥箱(上海實(shí)驗(yàn)儀器廠);自制SC吸附柱:10gSC放入分離柱(20mm×600mm的玻璃柱)底部,組裝成SC吸附柱。使用前用0.4mol/L鹽酸50mL淋洗,再用200mL蒸餾水洗滌。1.1.2試劑巰基乙酸、乙酸酐、乙酸、10mg/L的硫酸鎘、氯化汞、硝酸鉛、硫酸銅水溶液均為分析純,配制溶液用水均須通過SC吸附柱處理。1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1脫脂棉的制備在1L磨口廣口瓶中,依次加入分析純的巰基乙酸400mL、乙酸酐240mL、乙酸160mL、濃硫酸0.6mL,充分混勻(這時(shí)有放熱反應(yīng)發(fā)生),冷卻至室溫,加入60g脫脂棉,浸泡完全。加蓋置于38℃±2℃水浴鍋中反應(yīng),間隔20h用玻棒翻動(dòng)一次。100h后取出,用蒸餾水洗至中性,抽濾,攤開置于35～37℃烘箱中烘干。碘量法測(cè)定SC中巰基含量。1.2.2水處理方法1.2.2.ph值的調(diào)優(yōu)含重金屬離子的水中加入0.1mol/L氫氧化鈉水溶液調(diào)節(jié)水液pH值至9.5±0.5,靜置4h,定性濾紙濾去沉淀物后再用0.05mol/L稀硫酸將濾液的pH值返調(diào)至6.5±0.5。1.2.2.分液器的準(zhǔn)備。在分液未固定液的基礎(chǔ)上加著球磨分液漏斗中加入經(jīng)預(yù)處理的試液,打開漏斗旋塞,使水溶液流入SC吸附層,等水溶液淹沒并高出SC表面,打開吸附柱旋塞,調(diào)節(jié)分液漏斗和吸附柱的旋塞,使二者流量一致,保持流速100mL/min左右,分液漏斗中不斷補(bǔ)充經(jīng)預(yù)處理的試液。按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定流出液中金屬離子的濃度。1.2.2.3c再生先用150mL0.4mol/L稀鹽酸,再用200mL蒸餾水分別淋洗SC吸附柱,流速10mL/min左右。2結(jié)果與討論2.1硫醇合成sc纖維素與硫代乙醇酸在乙酸酐和乙酸介質(zhì)中發(fā)生酯化反應(yīng)合成SC,可用方程式表示為:SC的主要質(zhì)量指標(biāo)有巰基含量、纖維強(qiáng)度、抗水解和抗氧化性。SC含硫量與原料配比、反應(yīng)液酸度、反應(yīng)溫度和時(shí)間有關(guān)。巰基含量高,其吸附容量大,但含量過高洗脫再生較為困難;反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)纖維強(qiáng)度受損。按1.2.1節(jié)方法制備SC,巰基含量2.0%左右;SC在室溫、封閉、避光下保存,性能穩(wěn)定,在弱酸性或中性水溶液中使用不易水解;強(qiáng)氧化劑硝酸、雙氧水、高錳酸鉀對(duì)SC的吸附容量有損害作用。2.2金屬離子吸附法采用靜態(tài)吸附法,考察了溶液酸度對(duì)SC飽和吸附量的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果(20℃)見圖1。由圖1可看出,對(duì)不同金屬離子定量吸附允許酸度Hg2+>Cu2+>Pb2+>Cd2+,近中性溶液中SC對(duì)所試金屬離子的吸附能力最大。SC上的巰基在水中存在著巰基與巰基陰離子的離解平衡,巰基陰離子給電子的能力大于巰基。在堿性介質(zhì)中,部分金屬離子發(fā)生水解形成金屬含氧酸陰離子或氫氧化物沉淀。在強(qiáng)酸性介質(zhì)中巰基與氫離子締合形成陽(yáng)離子而失去活性。另取pH值6.5金屬離子水溶液在室溫下做動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn),流速100mL/min,測(cè)得飽和吸附量分別為(mg/g):Hg2+58、Cu2+17、Pb2+55、Cd2+29。2.3金屬離子去除率取10mg/L金屬離子水溶液10L,以不同流速流經(jīng)1.1.1節(jié)自制的SC吸附柱,測(cè)定流出液中金屬離子濃度,計(jì)算金屬離子去除率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果:流速50～200mL/min,所試離子Hg2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+去除率99.7%～100.2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SC對(duì)上述離子吸附速度很快,流速對(duì)去除率的影響不大。2.4飽和吸附量測(cè)定取pH值6.5金屬離子水溶液,控制水溫0～30℃做動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn),流速100mL/min,測(cè)得飽和吸附量基本恒定。由此可知,SC在室溫下均能對(duì)所試離子Hg2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+很好地吸附。2.5金屬離子穿透曲線10mg/L金屬離子水溶液(pH值6.5),以100mL/min流速連續(xù)通過10gSC吸附柱,每隔20min測(cè)一次流出液中金屬離子的濃度,繪制穿透曲線(圖2)。2.6sc與cd2+摩爾配比的測(cè)定采用摩爾比法和連續(xù)變化法測(cè)定巰基(—SH)與M2+作用物組成。摩爾比法:取不等量SC于3.0×10-3mol/L硫酸鎘50mL溶液,經(jīng)靜態(tài)吸附、水洗、洗脫,測(cè)定被SC吸附Cd2+的毫摩爾數(shù),測(cè)定結(jié)果見圖3。連續(xù)變化法:固定巰基和硫酸鎘總摩爾數(shù)為4.5×10-4mol,變動(dòng)兩者加入量,經(jīng)靜態(tài)吸附、洗水、洗脫,測(cè)定被SC吸附Cd2+的毫摩爾數(shù),測(cè)定結(jié)果見圖4。由圖3、圖4可以看出,—SH與Cd2+的摩爾配比(n巰基∶n鎘(II))為2∶1。SC靜態(tài)飽和吸附量稍高于此數(shù)值,實(shí)驗(yàn)說明其吸附主要為配位、鰲合,同時(shí)伴有物理吸附。2.7可能共存物實(shí)驗(yàn)量在10mg/L的金屬離子水溶液中加入共存離子(mg/L):Mg2+59、Ba2+1.5、Ca2+1200、Al3+16、F-27、Cl-350、Br-0.62、I-0.14、Fe3+5、H2SiO-31310、Na+250、K+100、NO-320、SO2?442-400、HCO-3200、NH+4100、H2BO-3100、H2PO-42000,以上可能共存物實(shí)驗(yàn)量均以環(huán)境水體中最高背景值的20倍作靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn),測(cè)定SC飽和吸附量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果SC的選擇性很強(qiáng),Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+等金屬離子和所試陰離子不被SC吸附,這些離子對(duì)吸附容量沒有影響。2.8金屬離子檢測(cè)SC上金屬離子的洗脫主要考慮兩方面因素:1.巰基在水液中存在如下平衡:R—S2?+2H+==R—SH?+H+==R—SH2R—S2-+2Η+=R—SΗ-+Η+=R—SΗ2,提高溶液酸度降低巰基給電子的能力;2.利用配位體與金屬離子形成配陰離子改變電性封閉空軌道。對(duì)酸的種類、配陰離子、濃度、用量進(jìn)行了選擇,用150mL0.4mol/L稀鹽酸淋洗吸附柱可將Cu2+、Pb2+、Cd2+順利洗脫,Hg2+用氯化鈉飽和的3mol/L鹽酸淋洗。SC吸附、洗脫重復(fù)20次,其飽和吸附量未見明顯降低。2.9金屬離子吸附法為了降低SC負(fù)荷,對(duì)于工業(yè)廢水可采用堿化-沉淀分離-SC吸附工藝去除廢水中Hg2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+。工業(yè)廢水用氫氧化鈉或碳酸鈉調(diào)節(jié)廢水pH值至9～10,靜置、過濾,將金屬離子以氫氧化物或碳酸鹽形式沉淀,處理水中金屬離子大大降低,濾液用酸調(diào)pH值至5～7后通過SC吸附柱。配置含Hg2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+均為5mg/L混合水樣100L按本工藝連續(xù)運(yùn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果,處理水中鎘、鉛、銅、汞濃度都低于0.05mg/L。3廢水處理工藝路線纖維素與硫代乙醇酸在乙酸酐和乙酸介質(zhì)中發(fā)生酯化反應(yīng),合成巰基纖維素(SC)。室溫下,SC上的巰基在pH值5～7能與水液中金屬離子Hg2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+發(fā)生配位、鰲合等反應(yīng)和物理吸附而將其截留。SC吸附選擇性強(qiáng),水體中常見的共存離子:K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+、Cl-、H2SiO-3、NO-3、SO2?442-、HCO-3、NH+4不