武學(xué)文，付巖，陳浩宇，楊靜

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殼聚糖和高爐渣復(fù)合材料的制備及其對(duì)污水處理的研究

武學(xué)文，付巖，陳浩宇，楊靜

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

將殼聚糖和高爐渣制成復(fù)合吸附劑，采用振蕩吸附實(shí)驗(yàn)，探究了吸附劑的投加量、粒度、振蕩時(shí)間以及高爐渣與殼聚糖的配比對(duì)銅離子廢水吸附效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)投加量為5.0g/L，粒度為100目，振蕩時(shí)間為2 h，高爐渣與殼聚糖的配比為30:1時(shí)，復(fù)合吸附劑對(duì)Cu2+的吸附達(dá)到最佳。

殼聚糖；高爐渣；銅離子廢水

隨著科技的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)下時(shí)局的熱點(diǎn)話(huà)題，工業(yè)廢水的排放更是環(huán)境保護(hù)的重要課題。現(xiàn)代廢水處理主要分為三類(lèi)：物理處理法、化學(xué)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(jià)格便宜，對(duì)于廢水中重金屬離子的去除效果也十分顯著，所以很受關(guān)注，是當(dāng)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(xiǎn)是現(xiàn)代社會(huì)面臨的環(huán)境和健康的主要問(wèn)題之一[3]。工業(yè)廢水中往往含有大量的銅，土壤的含銅量已經(jīng)達(dá)到土壤原始含銅量的數(shù)十倍之多，對(duì)動(dòng)物、植物、微生物危害嚴(yán)重。工業(yè)廢水除銅則顯得尤為重要。對(duì)于當(dāng)代工業(yè)廢水中的銅的處理方法很多，其中高爐渣對(duì)銅離子有顯著的吸附作用，平均吸附水平達(dá)90％以上，是良好的銅吸附劑，而且價(jià)格便宜，易于獲得，因此得到廣泛的認(rèn)可。但由于現(xiàn)代工業(yè)對(duì)吸附劑的要求越來(lái)越高，一般的高爐渣吸附劑效果難以滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)條件。因此，大量的對(duì)高爐渣進(jìn)行改性的研究實(shí)驗(yàn)不斷涌現(xiàn)[4-5]。近年來(lái)，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(duì)金屬離子具有很強(qiáng)的螯合作用，而受到廣泛關(guān)注[6]，通過(guò)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(wèn)題的熱點(diǎn)課題。

本文使用殼聚糖對(duì)高爐渣進(jìn)行復(fù)合處理，來(lái)測(cè)試其對(duì)銅離子的吸附效果，系統(tǒng)的研究了不同參量對(duì)吸附效果的影響，確定了最佳吸附效果的相關(guān)參數(shù)，從而拓寬了高爐渣的綜合利用，研發(fā)出新型、廉價(jià)的吸附劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和試劑

高爐渣：取自沈陽(yáng)市蘇家屯區(qū)冬明鋼管廠，粉碎后過(guò)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(dòng)離心機(jī)：上海江星儀器有限公司；721型可見(jiàn)分光光度計(jì)：上海光譜儀器有限公司；HH-1數(shù)顯恒溫水浴鍋：常州國(guó)華電器有限公司；JA1203N電子天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司；GZ-1205數(shù)顯電動(dòng)攪拌器：江蘇金壇市友聯(lián)儀器研究所；JB-2定時(shí)雙向磁力加熱攪拌器：江蘇金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠；101-0型A數(shù)顯電熱恒溫鼓風(fēng)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(lián)儀器研究所。

1.3 殼聚糖-高爐渣復(fù)合吸附劑的制備

稱(chēng)取若干殼聚糖，溶于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的乙酸中，配制成殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)械攪拌50 min后，80 ℃烘干、研磨、過(guò)相關(guān)目篩，制得復(fù)合吸附劑，放入密封袋中備用[1]。

1.4 實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)速振蕩一定時(shí)間后，靜置，在轉(zhuǎn)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(cè)定上清液中Cu2+的濃度。并按下式計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合吸附劑投加量對(duì)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(fù)合吸附劑，振蕩吸附1 h后，離心10 min，測(cè)定上清液的吸光度，并計(jì)算去除率。結(jié)果如圖1所示。

圖1 復(fù)合吸附劑投加量對(duì)吸附效果的影響

溶液中的Cu2+的去除率隨復(fù)合吸附劑投加量的增加而呈現(xiàn)明顯的遞增趨勢(shì)。當(dāng)投加量為5.0 g/L時(shí)，Cu2+的去除率達(dá)到最大，而后吸附趨于平衡，去除率不再上升。

2.2 復(fù)合吸附劑粒度對(duì)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(fù)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(cè)定上清液的吸光度，并計(jì)算去除率。結(jié)果見(jiàn)圖2。

復(fù)合吸附劑的粒度對(duì)其吸附Cu2+有較大的影響，當(dāng)粒度大于100目后，Cu2+的去除率顯著下降；粒度小于100目時(shí)，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(qiáng)。且復(fù)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(shí)驗(yàn)的意義。

2.3 振蕩吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

室溫下，將粒度為200目的復(fù)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(cè)定上清液的吸光度，并計(jì)算去除率。結(jié)果如圖3所示。

圖2 復(fù)合吸附劑粒度對(duì)吸附效果的影響

圖3 振蕩吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

振蕩吸附時(shí)間從0.5 h增加到2.0 h，Cu2+的去除率也隨之增加，當(dāng)振蕩吸附時(shí)間超過(guò)2.0 h之后，Cu2+的濃度基本不再發(fā)生變化，達(dá)到吸附平衡。

2.4 高爐渣-殼聚糖復(fù)合吸附劑配比對(duì)吸附效果的影響

室溫下，將殼聚糖的質(zhì)量固定，改變高爐渣的投加質(zhì)量，按照質(zhì)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(cè)定上清液的吸光度，并計(jì)算去除率。結(jié)果見(jiàn)圖4。

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

3 結(jié)論

在殼聚糖與高爐渣復(fù)合過(guò)程中，殼聚糖聚集纏繞在高爐渣的表面上，使高爐渣細(xì)小顆粒之間發(fā)生粘附，復(fù)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(duì)Cu2+廢水吸附能力。

圖4 高爐渣-殼聚糖復(fù)合吸附劑配比對(duì)吸附效果的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合吸附劑對(duì)Cu2+具有較強(qiáng)的吸附作用，當(dāng)復(fù)合吸附劑的投加量達(dá)到5.0 g/L時(shí)，Cu2+的去除率可達(dá)97.85％。高爐渣-殼聚糖復(fù)合吸附劑對(duì)Cu2+的吸附在2 h即可達(dá)到平衡；按殼聚糖/高爐渣質(zhì)量比為1∶30時(shí)，Cu2+的去除率可達(dá)90％以上；復(fù)合吸附劑的粒度為100目時(shí)，吸附效果最佳Cu2+的去除率達(dá)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(duì)水溶性染料的吸附[J]. 化工環(huán)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(yīng)用[J]. 海洋科學(xué)，2010，34 (6): 100-103.

［3］葛華才，武娜娜. 改性殼聚糖吸附Cr(VI)的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2013，27 (7)：87-89.

［4］蔣艷紅，馬少健，廖芳艷. 高爐渣對(duì)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(yàn)研究[J]. 中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2007，64 (2)：34-35+138.

［6］李琛. 改性殼聚糖處理重金屬?gòu)U水研究現(xiàn)狀[J]. 電鍍與飾，2011，33 (10): 21-25.

［7］鄭禮勝，王士龍，等. 礦渣對(duì)廢水中鉛、鉻的吸附去除試驗(yàn)[J].上海環(huán)境科學(xué)，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(xué)文（1995-），男，河北省張家口市人，研究方向：腐蝕與防護(hù)。

遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目,項(xiàng)目號(hào)：201610144041。

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1004-0935（2017）05-0429-03