張 劍, 王 迎

( 大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

絲瓜生長(zhǎng)在中國(guó)、日本和南美洲的其他國(guó)家[1]。絲瓜絡(luò)是由絲瓜成熟果實(shí)中厚厚的皮和多方向的三維纖維管束組成,具有獨(dú)特的多孔性物理結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度[2]。絲瓜絡(luò)本身的物理特征決定其可以成為理想的吸附劑去除污水中的染料或金屬離子[3],如毛金浩等[4]的研究指出化學(xué)改性后的絲瓜絡(luò)對(duì)Fe3+、Zn2+的飽和吸附量分別達(dá)到27.4和36.6 mg/g。

本文采用天然絲瓜絡(luò)纖維代替活性炭吸附劑去除廢液中的亞甲基藍(lán)染料。利用等離子體處理改性絲瓜絡(luò)纖維,并詳細(xì)討論了等離子體處理參數(shù)(即處理時(shí)間、電源功率和電極間距離)對(duì)絲瓜絡(luò)吸附亞甲基藍(lán)染料性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

絲瓜絡(luò)粉末,華輝日常用品股份有限公司。將絲瓜絡(luò)粉末清洗之后放在80 ℃的烘箱中干燥4 h。亞甲基藍(lán)(99.9%),天津石英鐘化學(xué)公司。

1.2 儀 器

CTP-2000K/P低溫等離子體實(shí)驗(yàn)電源,南京蘇曼電子有限公司；722s可見光光度計(jì),上海菁華集團(tuán)有限公司；THZ-82數(shù)顯恒溫振蕩器,金壇市國(guó)旺實(shí)驗(yàn)儀器廠；JEOL JSM-6460LV SEM掃描電子顯微鏡,日本電子株式會(huì)社。

1.3 等離子體處理

稱取100 mg干燥絲瓜絡(luò)粉末,在常溫常壓下,將絲瓜絡(luò)粉末放在等離子體石英反應(yīng)器上進(jìn)行處理。放電條件:電極間距離為6 、7、8、9、10、11、12、13 mm,處理時(shí)間為5、10、15、20、25 s,電源功率為80、90、100、110、120、130、140、150 W。

1.4 亞甲基藍(lán)溶液的吸光度與質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

分別配置質(zhì)量濃度為0.001、0.003、0.005、0.007、0.009 g/L的亞甲基藍(lán)溶液,使用722s可見光分光光度計(jì)測(cè)出其吸光度。結(jié)果表明染液在660 nm處出現(xiàn)最大吸光度。圖1表示亞甲基藍(lán)溶液的質(zhì)量濃度與吸光度關(guān)系曲線,經(jīng)回歸分析,該曲線為y=150.45x+0.077。

圖1 亞甲基藍(lán)溶液吸光度與質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線

Fig.1 A standard curve between the MB absorbency and the MB concentrations

1.5 染料的吸附

吸附實(shí)驗(yàn):配置2 000 mL質(zhì)量濃度為0.1 g/L的亞甲基藍(lán)溶液作為模擬染料廢液。分別取100 mL的模擬廢液加入錐形瓶中,再分別稱取不同條件等離子體處理的絲瓜絡(luò)粉末80 mg加入錐形瓶中,并將樣品放到數(shù)顯恒溫振蕩器上振蕩2 h,靜止30 min,稀釋10倍后,使用722s可見分光光度計(jì)測(cè)出平衡質(zhì)量濃度溶液樣品的吸光度。通過(guò)已繪出的亞甲基藍(lán)溶液吸光度與質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算出此時(shí)樣品的亞甲基藍(lán)染料的質(zhì)量濃度。再依據(jù)公式(1)計(jì)算出絲瓜絡(luò)粉末對(duì)亞甲基藍(lán)染料的吸附能力Qe(mg/g)。

Qe=(ρ0-ρe)V/m

(1)

式中,ρ0為初始樣品亞甲基藍(lán)溶液的質(zhì)量濃度(g/L)；ρe為平衡濃度樣品的亞甲基藍(lán)溶液質(zhì)量濃度(g/L);V為水溶液的體積(L);m為絲瓜絡(luò)粉末的質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM分析

圖2為絲瓜絡(luò)纖維的橫截面,圖中呈現(xiàn)出絲瓜絡(luò)纖維獨(dú)特的多孔性物理結(jié)構(gòu)。圖3為絲瓜絡(luò)纖維等離子體處理前后表面形貌,從圖中可以清晰地看出,經(jīng)過(guò)等離子體改性后,絲瓜絡(luò)纖維表面出現(xiàn)明顯的溝槽,比表面積增大。這些特征能夠促使絲瓜絡(luò)纖維吸附更多染料,增加絲瓜絡(luò)纖維對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附能力。

圖2 絲瓜絡(luò)纖維橫截面SEM圖

圖3 絲瓜絡(luò)纖維等離子體改性前后SEM圖

Fig.3 SEM images of untreated (a) and plasma treated (b) luffa fibers

2.2 放電條件與吸附量之間的關(guān)系

如圖3可知,等離子體處理后,纖維的比表面積增加,對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附能力增強(qiáng)。但是,不同的等離子體處理?xiàng)l件,吸附量的改變程度也不一樣,為了得出最佳處理工藝,通過(guò)公式(1)計(jì)算出等離子體改性后絲瓜絡(luò)吸附亞甲基藍(lán)染料的能力Qe。分別繪制出與等離子體電極間距離、處理時(shí)間及電源功率的相關(guān)曲線,如圖4～6所示。

圖4說(shuō)明不同電極間距離處理的絲瓜絡(luò)粉末吸附亞甲基藍(lán)染料能力不同。不同放電距離導(dǎo)致刻蝕程度不同,染料吸附量也隨之發(fā)生變化。從圖4可以看出,最佳放電距離是8 mm。此時(shí),等離子體能量分布在整個(gè)放電區(qū)域,呈輝光放電,能夠均勻的處理纖維表面,使絲瓜絡(luò)對(duì)亞甲基藍(lán)染料吸附能力最高達(dá)53.8 mg/g。放電間隙小于此距離時(shí),等離子體能量太強(qiáng),容易灼傷纖維,導(dǎo)致染料吸附量減小。放電間隙大于此距離時(shí),放電等離子體會(huì)逐漸脫離輝光放電,變成越來(lái)越稀疏的柱狀放電。等離子體能源主要集中在少數(shù)幾個(gè)通道上,每個(gè)通道的能量都非常大,刻蝕均勻性變差,不能增大比表面積。

圖4 亞甲基藍(lán)吸附量與電極間距離(110 W,10 s)的關(guān)系曲線

Fig.4 The curve of MB adsorption with electrode distance (110 W, 10 s)

圖5說(shuō)明亞甲基藍(lán)吸附量與等離子體處理時(shí)間的關(guān)系。從圖5中可以看出,最佳等離子體處理時(shí)間為10 s時(shí),亞甲基藍(lán)吸附量達(dá)到最高值52.5 mg/g。處理時(shí)間過(guò)短,表面處理效果較弱,吸附能力增加較小,吸附量增加不明顯。處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng),等離子體能量會(huì)損傷絲瓜絡(luò)纖維表面,并且能量消耗大。

圖5 亞甲基藍(lán)吸附量與處理時(shí)間(110 W,8 mm)的關(guān)系

Fig.5 The curve of the MB adsorption with discharge time (110 W, 8 mm)

圖6表示亞甲基藍(lán)吸附量隨著等離子體電源功率變化而變化。電源功率增加時(shí)亞甲基藍(lán)吸附量快速增加,當(dāng)電源功率達(dá)到110 W時(shí)亞甲基藍(lán)吸附量最大為51.3 mg/g。電源功率增加等離子體能量增加,有效去除纖維素周圍的木質(zhì)素。但是,功率繼續(xù)增大,對(duì)樣品表面刻蝕嚴(yán)重,破壞纖維表面狀態(tài)。當(dāng)電源功率達(dá)到150 W時(shí),絲瓜絡(luò)樣品已經(jīng)被燒焦了。因此電源功率達(dá)到110 W時(shí),達(dá)到最佳刻蝕效果,并不會(huì)造成能源的浪費(fèi)。

圖6 亞甲基藍(lán)吸附量與電源功率(8 mm,10 s)的關(guān)系

Fig.6 The curve of MB adsorption with discharge power (8 mm, 10 s)

以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明,等離子體處理絲瓜絡(luò)的最佳條件為110 W、8 mm和 10 s。與未處理的絲瓜絡(luò)對(duì)亞甲基藍(lán)吸附能力13.3 mg/g相比,經(jīng)等離子體處理后的絲瓜絡(luò)吸附能力高達(dá)53.8 mg/g,染料吸附量明顯增加。

3 結(jié) 論

絲瓜絡(luò)是一種非常有前途的天然吸附材料,具有多孔的三維物理結(jié)構(gòu)。經(jīng)等離子體改性后,其吸附能力明顯增加,可以高效去除染液廢水中的殘留染料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,等離子體處理后纖維表面出現(xiàn)大量溝槽,纖維比表面積增大能夠增加絲瓜絡(luò)纖維對(duì)亞甲基藍(lán)染料的吸附能力；等離子體最佳放電條件為:電極間距離8 mm,處理時(shí)間10 s,電源功率110 W；未經(jīng)處理的絲瓜纖維亞甲基藍(lán)的吸附量為 13.3 mg/g,改性后絲瓜絡(luò)纖維的吸附能力為53.8 mg/g。

[1] 宋士清,劉桂智,劉薇,等. 絲瓜絡(luò)的藥用價(jià)值研究概述[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2004, 20(2):12-16.

[2] TANOBE O A, SYDENSTICKER H D, MUNARO M, et al. A comprehensive characterization of chemically treated brazilian sponge-gourds (Luffa cylindrica)[J]. Polymer Texting, 2005, 24:474-482.

[3] GHALI L, MSAHLI S, ZIDI M, et al. Effect of pre-treatment of luffa fibres on the structural properties[J]. Materials Letters, 2009, 63:61-63.

[4] 毛金浩,劉引烽,楊紅,等. 絲瓜絡(luò)的化學(xué)改性及其對(duì)金屬離子的吸附[J]. 水處理技術(shù), 2008, 34(7):46-50.