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        硼吸附樹(shù)脂合成及其在海水淡化中應(yīng)用的研究

        2018-04-02 06:56:11張振瀟曹占平李松松劉天禹
        天津化工 2018年1期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)

        張振瀟,曹占平,李松松,劉天禹

        (天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院學(xué)院,天津300387)

        1 前言

        目前國(guó)內(nèi)外一般采用的是萃取法和酸化結(jié)晶法從水中提取硼[1]。萃取法擁有很高的硼回收率,但是生產(chǎn)成本高,且萃取劑在水相中溶解性比較大,易導(dǎo)致流失嚴(yán)重,故工業(yè)上應(yīng)用的可行性不高[2];酸化結(jié)晶法雖然生產(chǎn)成本低,但是存在流程比較復(fù)雜、硼酸的回收率低、提取過(guò)程中添加劑返回母液時(shí)會(huì)造成對(duì)水的污染等缺點(diǎn)。所以吸附法就成為一種成本低流程簡(jiǎn)單的方法。

        本文采用氯球與即N-甲基葡糖胺反應(yīng),可以制得一種硼特效樹(shù)脂,可以非常迅速地與海水淡化中硼形成穩(wěn)定的五元環(huán)絡(luò)合物[3],該鄰二輕基形成絡(luò)合物時(shí)鍵長(zhǎng)、鍵角基本不變,同時(shí)該樹(shù)脂對(duì)硼有高選擇性。

        硼酸在水溶液中根據(jù)pH變化,會(huì)存在硼酸分子(H3BO3)和 B(OH)-4兩種形式轉(zhuǎn)化[4],且比較容易與含鄰二羥基的化合物結(jié)合。

        2 實(shí)驗(yàn)

        2.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

        主要試劑:氯球、硼酸、NaoH(分析純)、鹽酸(色譜純)、葡甲胺(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)、抗壞血酸、乙酸銨、冰乙酸等。

        主要儀器:pH計(jì)(pH610,北京卓川電子科技有限公司);恒溫培養(yǎng)振蕩器(HNY-200B,天津市歐諾儀器儀表有限公司);電子天平(Q/SGYM 1008,奧豪斯儀表(上海)有限公司)、電子顯微鏡(SEM S-4800型,日立公司,工作電壓為15kV)、傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR,Nicolet670天津市新天光分析儀器技術(shù)有限公司)、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(普析TU-1810,北京普析通用儀器有限公司)。

        2.2 PS-CL-MG樹(shù)脂的合成方法[5]

        1)首先稱(chēng)取氯甲基化聚苯乙飾樹(shù)脂18g放在燒瓶中,過(guò)后加入一定量的二甲基甲酰胺,通過(guò)超聲混合溶解,加入定量量氨基甘油、蒸餾水和葡甲胺,在70℃攪拌下反應(yīng)10h,冷卻以后分別用蒸餾水、鹽酸溶液、氫氧化鈉溶液洗至中性,抽濾過(guò)后,裝在密封袋密封。

        2)稱(chēng)取20g弱堿樹(shù)脂放在燒瓶中,加入一定量的蒸餾水,控制溫度在28~30℃,邊攪拌邊滴加18mL環(huán)氧氯丙烷,加完后升溫到40℃反應(yīng)8h,,然后加入氫氧化鈉溶液在升溫到60℃,反應(yīng)8h,冷卻以后用蒸餾水、鹽酸溶液、蒸氫氧化鈉溶液洗至中性,抽濾過(guò)后,裝在密封袋密封。

        2.3 分析表征和測(cè)試

        使用電子顯微鏡掃描對(duì)PS-CL-MG樹(shù)脂的表面形貌進(jìn)行觀察;采用紅外光譜儀對(duì)PS-CL-MG樹(shù)脂進(jìn)行分析,掃描范圍為4000~5000cm-1;硼含量的測(cè)定采用甲亞胺-H酸紫外分光光度法。

        2.4 實(shí)驗(yàn)方法

        實(shí)驗(yàn)之前,需要對(duì)PS-CL-MG預(yù)處理24h,然后用5%的NaoH溶液浸泡10h取出洗至中性,再用5%HCl的溶液純化10h,最后用蒸餾水浸泡24h。查文獻(xiàn)得知反滲透海水淡化中的硼含量一般處于0.8~0.9 mg/L,因此選用1 mg/L的硼酸標(biāo)準(zhǔn)液作為實(shí)驗(yàn)用水。

        2.5 吸附性能的考查

        2.5.1 PS-CL-MG投加量的確定

        在錐形瓶裝有 2 g、4 g、6 g、8 g、10 g PS-CL-MG樹(shù)脂,加入100mL配好的1 mg/L的硼酸溶液,將錐形瓶放在303k的恒溫培養(yǎng)振蕩器中,振蕩速率140 r/min,隔時(shí)取樣,用紫外分光光度計(jì)測(cè)定硼的濃度,找出最佳的樹(shù)脂吸附量。

        2.5.2 吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

        選取1mg/L的硼溶液,PS-CL-MG的投加量為4 g,在303k溫度下,進(jìn)行準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程[6]進(jìn)行擬合。

        2.5.3 吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)

        分別配制 0.5 mg/L、1.0 mg/L、1.5 mg/L、2.0 mg/L不同濃度的硼酸溶液,取100 mL上述溶液加入錐形瓶,各自加入4 g PS-CL-MG,在25℃下放在恒溫振蕩箱中,定時(shí)取樣。

        2.5.4 吸附的影響因素實(shí)驗(yàn)

        分別量取100mL初始濃度為1 mg/L的硼酸溶液放置于錐形瓶中,加入4 g該樹(shù)脂分別在25℃下載振蕩箱中以140 r/min的速率振蕩3 h之后,取樣顯色反應(yīng)90 min后用紫外分光光度計(jì)測(cè)量硼酸含量。依次改變PS-CL-MG的投加量、pH等實(shí)驗(yàn)條件,重復(fù)以上的實(shí)驗(yàn),進(jìn)而得出不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)硼酸的吸附效果的不同。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 PS-CL-MG樹(shù)脂的掃描電子顯微鏡的分析

        將吸附前(a)和吸附后(b)的 PS-CL-MG 樹(shù)脂在掃描電子顯微鏡下拍照進(jìn)行對(duì)比,看其便面結(jié)構(gòu)和微孔構(gòu)造如圖1。

        圖1PS-CL-MG樹(shù)脂的SEM圖{a吸附前(左),b吸附后(右)}

        從圖1得,PS-CL-MG樹(shù)脂整體呈球狀,表面光滑且有大量的微孔,直徑不到0.5μm,比表面積相對(duì)比較大,這些特征吸附溶液中的硼提供了相應(yīng)的條件。對(duì)比(a)可得,吸附后(b)樹(shù)脂的孔隙度變得比較粗糙、孔徑也相應(yīng)變小,說(shuō)明該樹(shù)脂對(duì)硼酸的吸附中微孔吸附也起作用。

        3.2 傅里葉紅外光譜分析

        圖2是 PS-CL-MG吸附前(a)后(b)的紅外光譜圖。

        圖2 PS-CL-MG吸附前(a)后(b)的紅外光譜圖

        PS-CL-MG主要吸收帶包括:3427 cm-1(-OH伸縮振動(dòng)),1450 cm-1和 1330 cm-1(C-O 的伸縮振動(dòng)),1379 cm-1(C-N 的伸縮振動(dòng)),1077 cm-1和1033 cm-1(C-O的骨架振動(dòng))[7]

        與吸附曲線a線相比,吸附后樹(shù)脂曲線b紅外光譜的形狀變化比較明顯,首先是-OH伸縮振動(dòng)由3427 cm-1,移動(dòng)到3407 cm-1,羥基減少表明PSCL-MG樹(shù)脂中羥基與硼酸分子之間發(fā)生螯合反應(yīng),樹(shù)脂在1398 cm-1、1077 cm-1出現(xiàn)不同程度的特征峰,是四面體B-O鍵的振動(dòng)吸收峰[8],說(shuō)明生成與硼的穩(wěn)定螯合結(jié)構(gòu)。

        3.3 PS-CL-MG投加量對(duì)硼吸附的影響

        當(dāng)PS-CL-MG投加量為2 g、4 g時(shí),由圖3得,硼的去除效果隨著投加量的增加而變化明顯,當(dāng)投加量超過(guò)4g時(shí),吸附速率變慢,五種不同投加量在250 min后吸附率率都達(dá)到80%以上,這是因?yàn)镻SCL-MG有大量羥基與硼酸反應(yīng)生成絡(luò)合物(如圖3)[9]。隨著投加量的增加,PS-CL-MG表面的羥基與硼酸生成絡(luò)合物的速率越來(lái)越快;當(dāng)投加量增多,樹(shù)脂會(huì)在錐形瓶堆積,不能與溶液充分接觸形成競(jìng)爭(zhēng)吸附,導(dǎo)致吸附速率變慢。因此當(dāng)含硼溶液初始濃度為1 mg/L時(shí),選用投加量4 g為最佳,去除率可以達(dá)到87.5%,平衡吸附量為22.09μg/g。

        圖3 不同PS-CL-MG投加量對(duì)硼去除率的影響

        圖4PS-CL-MG樹(shù)脂去除硼的過(guò)程

        3.4 PS-CL-MG對(duì)硼的吸附熱力學(xué)研究

        PS-CL-MG對(duì)硼的吸附熱力學(xué)研究通過(guò)Langmuir和Freundlich擬合。方程如(3-1)和(3-2):

        圖5 Langmuir吸附等溫線擬合

        圖6 Freundlich吸附等溫線擬合

        對(duì)PS-CL-MG樹(shù)脂吸附硼的等溫線進(jìn)行擬合如圖 5、圖 6所示,表 1中,F(xiàn)reundlich中 R2達(dá)到0.999以上,而Langmuir中 R2大致0.853。究其原因Langmuir的吸附對(duì)表面要求是均一的,通常是單分子層吸收。在表面吸附劑與吸附質(zhì)之間沒(méi)有作用力。Freundlich一種是經(jīng)驗(yàn)公式,通常適用于化學(xué)和物理吸附。由此可得,PS-CL-MG對(duì)硼的吸附有微孔吸附和離子鍵的作用力。在Freundlich模型中,1/n在0.1~0.5之間屬于容易吸附;在0.5~2之間屬于較易吸附;但是超過(guò)2時(shí),屬于難以吸附。而本次實(shí)驗(yàn)1/n在0.9左右,說(shuō)明硼被PS-CL-MG較易吸附。

        表1 吸附硼的Langmuir吸附等溫線和Freundlich吸附等溫線擬合參數(shù)

        3.5 PS-CL-MG對(duì)硼的吸附動(dòng)力學(xué)研究

        為了更加清晰地描述PS-CL-MG對(duì)硼的動(dòng)力學(xué)過(guò)程[10],準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程如公式(3-3)和(3-4)所示:

        本次實(shí)驗(yàn)中PS-CL-MG在硼濃度為1 mg/L,準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合如圖7、圖8,但是準(zhǔn)一級(jí)低于二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合度,由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中吸附平衡量是不知道的,即便達(dá)到吸附平衡,也存在微小變動(dòng),總小于平衡吸附量,因此準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型不好擬合。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)較好說(shuō)明硼在PS-CL-MG上的吸附過(guò)程,包括顆粒擴(kuò)散、空隙擴(kuò)散、離子交換。表2中兩者R2均超過(guò)0.9,準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附平衡量為0.6798 mg/L,與實(shí)驗(yàn)0.98 mg/L相差較大,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附平衡量1.0169mg/L,與實(shí)際吸附容量比較接近,說(shuō)明PS-CL-MG對(duì)硼的吸附主要離子交換。

        圖7 準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合模型

        圖8 準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合模型

        表2 準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合模型方程及參數(shù)

        3.6 pH對(duì)PS-CL-MG吸附硼的影響

        選擇含硼初始濃度為1mg/L,溫度為303k,吸附時(shí)間為12h,pH值對(duì)于樹(shù)脂吸附硼影響,硼酸水溶液在硼酸分子(H3BO3)和 B(OH)-4兩種形式存在,且二者可以轉(zhuǎn)化[11,12],但是 B(OH)-4比 H3BO3絡(luò)合能力更強(qiáng)[13]。

        圖9 pH值對(duì)硼去除率的影響

        如圖9所示,隨著p H=2~9范圍內(nèi),B(OH)-4水解能力逐漸增強(qiáng),與IRA-743吸附時(shí)形成更加穩(wěn)定的的絡(luò)合物,當(dāng)溶液pH>9.8時(shí),隨著pH增大,IRA-743樹(shù)脂吸附量反而減少。究其原因,當(dāng)pH值增加到一定的程度,IRA-743樹(shù)脂羥基的解離能力大于硼酸分子(H3BO3)水解能力,導(dǎo)致 B(OH)-4發(fā)生同性相斥,使硼與該樹(shù)脂的絡(luò)合絡(luò)合能力降低,使吸附量也降低,所以pH在9~10為最佳吸附實(shí)驗(yàn)研究。

        3.7 PS-CL-MG對(duì)硼吸附-解吸

        PS-CL-MG再生性是吸附后使用硫酸洗脫,用堿再生樹(shù)脂,過(guò)濾清洗干燥之后可以達(dá)到PS-CLMG的再生。

        實(shí)驗(yàn)如圖10,新樹(shù)脂去除率通常在90%以上,再生的PS-CL-MG樹(shù)脂對(duì)硼的吸附率顯著下降。再生6次后去除率在35%~45%之間,主要是依靠PS-CL-MG與硼離子交換完成的,離子l吸附過(guò)程的55%,微孔吸附占45%,所以離子交換作用是該樹(shù)脂吸附硼的主要方式。

        圖10 pH值對(duì)硼去除率的影響

        值得指出的是,本次研究中PS-CL-MG樹(shù)脂在吸附-解吸六次以后,微孔吸附趨向一定的范圍,影響該微孔吸附機(jī)理的因素需要進(jìn)一步探究。

        4 結(jié)論與展望

        4.1 結(jié)論

        本文主要研究PS-CL-MG樹(shù)脂對(duì)硼酸的吸附機(jī)理,對(duì)其影響因素進(jìn)行探討:

        1)初始濃度為1 mg/L時(shí),選用投加量4 g為最佳,去除率高到87.5%,平衡吸附量為22.09 μg/g。

        2)溫度對(duì)于PS-CL-MG吸附硼的過(guò)程影響不大。

        3)pH越高吸附率就越高,由于對(duì)出水pH有一定的要求,所以選擇pH為8~9之間最佳。

        4.2 展望

        目前降低反滲透海水淡化中硼含量,主要靠與自來(lái)水勾兌。研究者正通過(guò)吸附法與反滲透想結(jié)合的方法,進(jìn)一步對(duì)海水中的硼進(jìn)行去除[14]。這些樹(shù)脂的特點(diǎn),可以啟發(fā)人們開(kāi)發(fā)一些含有鄰二羥基功能基團(tuán)、或吸附位阻小的新型樹(shù)脂[15,16],更好的去除海水淡化中的硼,進(jìn)一步從實(shí)驗(yàn)水平邁向工業(yè)應(yīng)用化。

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