孫文鵬,宋燕西,2*,王棟緯,張紫琴,錢 國
(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 國家環(huán)境保護(hù)紡織污染防治工程技術(shù)中心,上海 201620;2.復(fù)旦大學(xué) 聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200433)
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水葫蘆木質(zhì)素的提取及其苯胺吸附性能
孫文鵬1,宋燕西1,2*,王棟緯1,張紫琴1,錢 國1
(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 國家環(huán)境保護(hù)紡織污染防治工程技術(shù)中心,上海 201620;2.復(fù)旦大學(xué) 聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200433)
采用堿提法從生態(tài)入侵植物水葫蘆中提取木質(zhì)素,利用傅立葉紅外光譜(FT-IR)和掃描電鏡(SEM)等手段對(duì)所獲得的木質(zhì)素進(jìn)行表征,研究了水葫蘆木質(zhì)素對(duì)水中苯胺的吸附性能,考察了溶液pH值、吸附時(shí)間、初始濃度等因素對(duì)水葫蘆木質(zhì)素吸附苯胺的影響。當(dāng)NaOH溶液濃度0.1 mol/L,提取時(shí)間4 h,溫度100 ℃,料液比1∶20時(shí),水葫蘆木質(zhì)素的收率最大為6.81%。紅外圖譜顯示,在1 456~1 656 cm-1處存在木質(zhì)素的芳香環(huán)骨架振動(dòng)吸收峰;掃描電鏡顯示,木質(zhì)素呈大量細(xì)小的顆粒,木質(zhì)素顆粒表面存在許多微小的孔狀結(jié)構(gòu),有利于吸附作用的發(fā)生。在室溫下,溶液pH 6.0,苯胺初始濃度為150 mg/L,吸附劑用量為5 mg,吸附時(shí)間120 min時(shí),水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的最大吸附容量為12.2 mg/g。苯胺吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型以及Langmuir吸附等溫模型。水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的吸附以單分子層化學(xué)吸附為主,屬于優(yōu)惠吸附。相同吸附條件下,水葫蘆木質(zhì)素對(duì)湖泊水樣中苯胺的吸附與實(shí)驗(yàn)?zāi)M水樣的吸附效果相近。水葫蘆木質(zhì)素可作為富集分離材料用于分析樣品制備以及水中污染物的吸附。
水葫蘆;木質(zhì)素;堿提法;苯胺;吸附
天然物質(zhì)中有效成分的提取應(yīng)用是重要的分離分析研究方向[9-10],水葫蘆作為一種生態(tài)入侵植物,對(duì)生態(tài)平衡與環(huán)境安全造成威脅[11],資源化利用是解決水葫蘆問題的根本方法。目前對(duì)水葫蘆有效成分的提取及應(yīng)用研究主要集中在多糖[12]以及葉綠素[13]等方面,而關(guān)于水葫蘆中木質(zhì)素的提取應(yīng)用研究目前尚未見報(bào)道。苯胺作為一種化工原料,廣泛應(yīng)用于染料、藥物以及橡膠等方面,但同時(shí)也成為一種常見的環(huán)境污染物。環(huán)境中苯胺的吸附分離研究一直受到關(guān)注。為了解決水葫蘆污染問題,變廢為寶,促進(jìn)水葫蘆資源的利用,本文利用堿法提取水葫蘆中的木質(zhì)素,考察堿法提取的影響因素,并進(jìn)一步研究了水葫蘆木質(zhì)素對(duì)水中苯胺的吸附行為。研究結(jié)果為水葫蘆木質(zhì)素的提取及開發(fā)利用提供了參考。
1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器
水葫蘆,采集于上海松江某河道;甲苯、無水乙醇、氫氧化鈉、濃鹽酸、苯胺(分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。
SET-02索氏提取器(上海洪紀(jì)儀器設(shè)備有限公司);Sartorius pH計(jì)(北京鑫盛鴻陽科技有限公司);DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司);SC-3612 低速離心機(jī)(安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司);NEXUS-670傅立葉紅外光譜儀(美國Thermo Nicolet公司);LGJ-10E多歧管型冷凍干燥機(jī)(北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司);JS-1600小型離子濺射儀(北京和同創(chuàng)業(yè)科技有限責(zé)任公司);TM-1000日立臺(tái)式電子顯微鏡(日立高新技術(shù)公司);TU-1810 紫外-可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限公司)。
1.2 木質(zhì)素提取
1.2.1 水葫蘆原料脫脂脫蠟處理 選取洗滌烘干后的水葫蘆樣品,粉碎后過60目篩,保存于干燥箱中待用。取干燥的水葫蘆樣品用濾紙包好后置于索氏提取器的提取管內(nèi),以體積比為1∶2的乙醇-甲苯混合溶液為提取溶劑,回流提取8~10 h,以除去水葫蘆中的蠟質(zhì)、樹脂和脂肪;提取后的樣品用乙醇抽濾洗滌3次,之后在100 ℃烘箱中干燥4 h,所得產(chǎn)物即為脫脂脫蠟水葫蘆樣品,置于干燥器備用。
1.2.2 氫氧化鈉提取脫脂脫蠟水葫蘆木質(zhì)素[14]將脫脂脫蠟的水葫蘆樣品浸泡在0.1 mol/L的NaOH溶液中,在100 ℃,料液比為1∶20時(shí),加熱攪拌回流4 h;反應(yīng)結(jié)束后趁熱過濾,向溶液中邊攪拌邊緩慢加入5%鹽酸,調(diào)至pH 3.0,繼續(xù)攪拌15 min后過濾,濾餅用70 ℃溫水洗滌至中性,于65 ℃烘箱內(nèi)干燥至恒重,所得產(chǎn)物即為木質(zhì)素。
1.3 水葫蘆木質(zhì)素的表征
采用溴化鉀壓片法,將干燥后的水葫蘆木質(zhì)素樣品與溴化鉀混合研磨后壓片,用NEXUS-670傅立葉紅外光譜儀測(cè)定樣品的光譜圖,掃描波數(shù)為400~4 000 cm-1;利用TM-1000日立臺(tái)式電子顯微鏡對(duì)水葫蘆木質(zhì)素進(jìn)行SEM分析,觀察樣品的微觀形態(tài)。
1.4 吸附實(shí)驗(yàn)
取一定體積的某湖泊水樣,用微孔濾膜過濾,以除去水樣中的懸浮顆粒物,收集濾液按照上述方法研究不同濃度苯胺溶液中吸附劑的吸附性能。
2.1 水葫蘆木質(zhì)素的提取研究
利用NaOH溶液堿提法提取水葫蘆中木質(zhì)素,考察了提取時(shí)間、溫度、NaOH溶液濃度以及料液比對(duì)水葫蘆木質(zhì)素提取收率的影響。獲得最佳提取條件為:NaOH溶液濃度0.1 mol/L,時(shí)間4 h,溫度100 ℃,料液比1∶20(g∶mL),此時(shí)水葫蘆木質(zhì)素的最大收率為6.81%。
圖1 水葫蘆木質(zhì)素的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectrum of water hyacinth lignin
2.2 水葫蘆木質(zhì)素的FT-IR分析
對(duì)水葫蘆木質(zhì)素進(jìn)行紅外光譜表征,紅外光譜如圖1所示,在3 370~3 400 cm-1處為酚羥基和醇羥基的伸縮振動(dòng)吸收峰[15];在2 929 cm-1和 2 858 cm-1處分別為C—H 的對(duì)稱和不對(duì)稱的伸縮振動(dòng),證明有CH3—,—CH2—的存在[16];3 073 cm-1處為苯環(huán)的C—H伸縮振動(dòng)吸收峰;由于木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)主體為苯丙烷基,所以結(jié)構(gòu)中含有大量的苯環(huán),在1 456~1 656 cm-1處存在芳香環(huán)骨架振動(dòng)吸收峰[17];1 408 cm-1處為酚羥基的伸縮振動(dòng)吸收峰;1 323 cm-1處為紫丁香核吸收峰[18];1 224 cm-1處為紫丁香基的芳香核C—O伸縮振動(dòng)吸收峰[14];1 163 cm-1處為C—O—C的伸縮振動(dòng)吸收峰;1 031 cm-1處為芳香環(huán)C—H面內(nèi)彎曲振動(dòng)吸收峰[18]。上述特征峰的存在證明產(chǎn)物為木質(zhì)素。
2.3 水葫蘆木質(zhì)素的掃描電鏡分析
圖2為木質(zhì)素的掃描電鏡圖,從圖中可以看出木質(zhì)素樣品中存在大量細(xì)小無定形顆粒,部分木質(zhì)素顆粒表面存在許多微小的蜂窩狀孔隙結(jié)構(gòu),這些特征表明木質(zhì)素具有較大的比表面積,有利于吸附作用。
圖2 水葫蘆木質(zhì)素的SEM圖
圖3 pH值對(duì)木質(zhì)素吸附苯胺的影響Fig.3 Effect of pH value on the adsorption of lignin for aniline
2.4 溶液pH值對(duì)水葫蘆木質(zhì)素吸附性能的影響
通過改變?nèi)芤旱膒H值(2.0~10.0)研究了水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的吸附行為,結(jié)果如圖3所示。室溫下,在苯胺溶液初始濃度為40 mg/L,溶液體積為10 mL,木質(zhì)素用量為10 mg條件下,當(dāng)pH值由2.0增至6.0時(shí),水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的吸附容量逐漸增大,并在pH 6.0時(shí)達(dá)到最大,其最大吸附容量為5.74 mg/g;當(dāng)pH值繼續(xù)增大時(shí),木質(zhì)素對(duì)苯胺的吸附容量開始降低。這是因?yàn)楸桨吩谒芤褐械膒Ka為4.64,溶液pH值會(huì)影響其在溶液中的存在形式,當(dāng)pH<4.64時(shí),苯胺多以離子態(tài)的形式存在,與木質(zhì)素的分子間作用力較弱;隨著pH值的增加,當(dāng)pH>4.64時(shí),苯胺則主要以游離態(tài)的形式存在,更易被水葫蘆木質(zhì)素吸附,并在pH 6.0時(shí)吸附容量達(dá)到最大;但隨著pH值的增加,木質(zhì)素作為一種酚類聚合物,其酚羥基不斷解離,對(duì)苯胺的吸附性能也隨之下降,因此,實(shí)驗(yàn)選擇最佳pH值為6.0。
2.5 吸附時(shí)間對(duì)水葫蘆木質(zhì)素吸附性能的影響
考察了室溫下,苯胺的初始濃度為40 mg/L,pH值為6.0時(shí),吸附時(shí)間對(duì)水葫蘆木質(zhì)素吸附苯胺的影響。結(jié)果顯示在吸附的前30 min內(nèi),苯胺的吸附速率快速升高,吸附容量隨之迅速增大;在30~120 min,吸附速率開始變緩,吸附容量變化不大;當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到120 min后,吸附趨于飽和,苯胺的吸附容量也逐漸達(dá)到最大。這是因?yàn)樵谖降某跏茧A段,水葫蘆木質(zhì)素存在著大量空置的活性位點(diǎn),這些活性位點(diǎn)的存在有利于苯胺的吸附,因而平衡吸附容量增大較快,隨著苯胺分子被吸附,活性位點(diǎn)被占據(jù),吸附達(dá)到了飽和狀態(tài),同時(shí)已吸附的苯胺會(huì)產(chǎn)生空間位阻,抑制溶液中游離的苯胺的吸附,剩余的空活性位點(diǎn)越來越難被溶液中的苯胺分子所占據(jù)。因此,一開始吸附速度快,之后吸附速率減小,最終約在120 min達(dá)到吸附脫附平衡,因此選擇最佳的吸附時(shí)間為120 min。
為了進(jìn)一步研究水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的吸附特性,本實(shí)驗(yàn)采用準(zhǔn)一級(jí)與準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)木質(zhì)素的吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型擬合,準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型與準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型數(shù)學(xué)表達(dá)式分別見式(1)與(2):
ln(Qe-Qt)=-k1t+lnQe
(1)
(2)
式中:Qt為任意時(shí)刻的吸附容量(mg/g);t為吸附時(shí)間(min);k1為準(zhǔn)一級(jí)吸附速率常數(shù)(min-1);k2為準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù)(g·mg-1·min-1)。對(duì)于水葫蘆木質(zhì)素而言,以準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合時(shí)得到的線性關(guān)系較好,相關(guān)系數(shù)(r2)分別為0.989和0.997,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的相關(guān)系數(shù)相對(duì)更高,說明水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的吸附更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程;此外,準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的吸附容量值Qe(cal)分別為6.97,6.61 mg/g,而實(shí)際吸附容量值Qe(exp)為6.08 mg/g,故準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的吸附容量值與實(shí)際吸附容量值更為吻合。由于準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能更好地描述水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的吸附過程,說明水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的吸附以化學(xué)吸附為主。
圖4 水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的吸附等溫線Fig.4 Adsorption isotherm of aniline on lignin from water hyacinth
2.6 初始濃度對(duì)水葫蘆木質(zhì)素吸附苯胺的影響及其等溫吸附
在室溫下,吸附時(shí)間120 min,pH 6.0時(shí),研究了不同初始濃度水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺吸附容量的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在初始濃度為150 mg/L時(shí),水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的吸附容量達(dá)到最大,為12.2 mg/g。利用不同平衡濃度對(duì)吸附容量作圖可獲得水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的吸附等溫線(圖4)。
采用Langmuir和Freundlich等溫吸附模型對(duì)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,擬合方程分別為式(3)和(4):
(3)
(4)
式中:Qm為苯胺的飽和吸附容量(mg/g);KL為L(zhǎng)angmuir平衡系數(shù)(L/mg);KF和n分別為Freundlich平衡系數(shù)(mg1-1/n·L1/n/g)和Freundlich常數(shù)。Langmuir和Freundlich等溫吸附模型擬合的結(jié)果表明,采用Langmuir等溫吸附模型對(duì)吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的相關(guān)系數(shù)r2為0.977,大于Freundlich等溫吸附模型擬合的相關(guān)系數(shù)r2(0.953),說明采用Langmuir等溫吸附模型能更好地描述水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的吸附,該吸附過程為單分子層吸附,主要為化學(xué)吸附,基于Langmuir的最大吸附容量為16.1 mg/g。Freundlich等溫吸附模型擬合時(shí)n>1,說明苯胺在水葫蘆木質(zhì)素上的吸附是有利的[19]。
2.7 實(shí)際水樣中水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的吸附性能
取湖泊實(shí)際水樣過濾后于280 nm的波長(zhǎng)下測(cè)定其吸光度,樣品無吸收,未檢出苯胺。取過濾后湖泊實(shí)際水樣配制3種不同濃度的苯胺溶液(40,100,150 mg/L),在最佳吸附條件下,考察了水葫蘆木質(zhì)素對(duì)湖泊水樣中苯胺的吸附。結(jié)果顯示,水葫蘆木質(zhì)素對(duì)含3種不同濃度苯胺的實(shí)際水樣的吸附容量分別為5.18,10.2,11.9 mg/g。與相同吸附條件下實(shí)驗(yàn)?zāi)M水樣的結(jié)果進(jìn)行比較,吸附數(shù)據(jù)相近,當(dāng)苯胺濃度為150 mg/L時(shí),吸附容量的相對(duì)偏差為1.3%,說明水葫蘆木質(zhì)素可用于環(huán)境水體中苯胺吸附分離。
在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下,堿法提取水葫蘆木質(zhì)素的收率為6.81%。苯胺的吸附性能研究顯示,室溫下,pH 6.0,水葫蘆木質(zhì)素5 mg,苯胺初始濃度為150 mg/L,吸附時(shí)間120 min時(shí),水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的最大吸附容量為12.2 mg/g。水葫蘆木質(zhì)素對(duì)苯胺的吸附以單分子層化學(xué)吸附為主,基于Langmuir的最大吸附容量為16.1 mg/g,且水葫蘆木質(zhì)素對(duì)湖泊水樣中苯胺的吸附容量與實(shí)驗(yàn)?zāi)M水樣的吸附容量相近。與多壁碳納米管[20]、硅膠[21]、松木屑[22]等苯胺吸附材料相比,水葫蘆木質(zhì)素的孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)達(dá),吸附效果好,原料廉價(jià),是一種環(huán)境友好的苯胺吸附材料,可將其作為一種有效的富集分離材料,用于水中化學(xué)物質(zhì)的富集分離、分析樣品的前處理以及水中環(huán)境污染物的吸附。
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Extraction of Lignin from Water Hyacinth and Its Performance of Aniline Adsorption
SUN Wen-peng1,SONG Yan-xi1,2*,WANG Dong-wei1,ZHANG Zi-qin1,QIAN Guo1
(1.State Environmental Protection Engineering Center for Pollution Treatment and Control in Textile Industry,School of Environmental Science and Technology,Donghua University,Shanghai 201620,China;2.State Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers,Fudan University,Shanghai 200433,China)
water hyacinth;lignin;alkali extraction;aniline;adsorption
2017-01-12;
2017-02-07
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278095);復(fù)旦大學(xué)聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究課題基金(K2014-11)
10.3969/j.issn.1004-4957.2017.06.015
O657.32;O625
A
1004-4957(2017)06-0788-06
*通訊作者:宋燕西,博士,副教授,研究方向:新型分離分析材料的制備及其在分離分析方面的應(yīng)用,色譜材料及色譜分析方法研究,Tel:021-67792551,E-mail:syx@dhu.edu.cn