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黄原胶对水中铅离子吸附性能研究

发布日期:2014-10-01 13:39:50
黄原胶对水中铅离子吸附性能研究先容
黄原胶对水中铅离子吸附性能研究
黄原胶对水中铅离子吸附性能研究,铅是工业中常使用的元素之一。铅和可溶性的铅 盐都有毒性,含铅废水对人体健康和动植物都有严重 危害。随着工业技术的迅速发展,工业废水中的重金 属铅污染越来越严重,这促使人们对含铅废水的处理 日益重视。含铅废水的传统处理方法有化学沉淀法、 离子交换法、吸附法、电解法和膜分离法等,这些方法 具有一定的净化效果,但因过程繁琐并易造成二次污 染而不够理想,尤其是金属离子浓度较低时,往往操 作费用和原材料成本相对过高[1]。而生物吸附法由于 其具有原料来源丰富、成本低、吸附容量大、吸附速度 快、选择性好、吸附设备简单易操作等特点,在去除水 中重金属离子方面日益受到重视。由于生物吸附具有 高效、经济、社会效益与环境效益俱佳等优点,因此开 发各种新型的生物吸附剂成为目前重要的研究目标。
黄原胶是一种重要的天然生物多糖大分子,1952 年由美国农业部伊利诺斯州皮奥里尔北部研究所分 离得到甘蓝黑腐病黄单胞菌,并使甘蓝提取物转化为 水溶性的酸性胞外杂多糖而得到[2]。黄原胶可以溶于 冷水和热水中,具有高粘度,高耐酸、喊、盐特性、高耐 热稳定性、悬浮性和触变性等,常被用作増稠剂、乳化
剂、悬浮剂和稳定剂等'黄原胶的分子骨架结构类似 于纤维素,但是黄原胶的独特性质在于每隔一个单元 上存在的由甘露糖醋酸盐、终端甘露糖单元以及两者 之间的一个葡萄糖醛酸盐组成的三糖侧链。侧链上的 葡萄糖醛酸和丙酮酸群赋予了黄原胶负电荷,且其负 电荷密度随溶液pH值的増加而増加。黄原胶对水中铅离子吸附性能研究,作为生物大分 子吸附剂的一种,黄原胶具有吸附重金属离子的结构 优势,能通过许多机理吸附重金属离子,且黄原胶本 身是可生物降解的,黄原胶对水中铅离子吸附性能研究,是环境友好型的吸附材料。黄原 胶独特的物理、化学性质己促使其广泛应用于日用化 工、医药、采油等各个领域。
对除微生物菌体外的生物吸附剂[«],国内外主要 集中在对壳聚糖及其改性产物吸附重金属离子的研 究上0]。本文主要从另一种常见的生物大分子吸附剂 黄原胶出发,研究其对Pb2+的吸附性能,考察黄原胶 浓度、溶液pH值、温度及吸附时间等因素对黄原胶吸 附性能的影响,以期开发出一种新型的生物吸附剂。
1实验部分
1.1试剂及主要仪器
试剂:Pb(NO3)2为分析纯试剂(天津市博迪化工 有限企业生产),黄原胶(青岛扶桑精制加工有限企业 生产,其分子结构示意图如图1所示),所有溶液均采 用去离子水配制。
仪器:3510型原子吸取分光光度计(安捷伦科技 上海分析仪器有限企业,中国),TG16-WS台式高速 离心机(长沙湘仪离心机仪器有限企业)。
 
1.2实验方法
用Pb2+标准溶液(1 000 ^g/mD配制不同浓度的 Pb2+溶液,并利用原子吸取分光光度计测其吸光度,绘 制Pb2+的原子吸取标准曲线。
称取一定量的黄原胶作为吸附剂,分别加入不同 浓度的PbN〇3溶液,放入摇床,25 °C下充分振荡至所 需时间,取出后在10 000 r/min转速下离心20 min, 取上清液并测其吸光度,通过测定吸附前后溶液中 Pb2+的浓度,计算Pb2+的去除率和黄原胶的吸附容量。 黄原胶浓度、溶液pH值、温度及吸附时间对Pb2+去除
率和吸附剂吸附容量影响的测量方法同上。
1.3去除率计算
Pb2+的去除率由式⑴计算,式中P为去除率,c。 为吸附前金属离子浓度(mg/L),Q为吸附后金属离子 浓度(mg/L)。
P = (C0-Ce) x100%(1)
C0
1.4吸附容量计算
Q= (C0-Ce) xV(2)
m
式(2)中Q为吸附容量(mg/g),V为溶液体积(L), m为吸附剂干重(g)。为了描述和预测黄原胶的吸附性 能,大家选用Fruendlihc和Langmuir两种模型。 Freundlich等温方程式为:
Q = Kce11 n(3)
将式⑶取对数得:logQ=logK+1Mogce (其中K 和n是表示吸附能力和强度的经验常数);
Lnagmuir 等温方程式为:
Q = Q〇Kc⑷
1+ KCe
由式⑷取倒数得式中:Q0为 Q Q0 QKce
最大吸附容量(mg/g)。
2实验结果及讨论
2.1吸附时间对吸附性能的影响
取浓度为10mg/L的Pb2+溶液,加入浓度为1.0 g/L的黄原胶进行吸附,黄原胶对水中铅离子吸附性能研究,在不同吸附时间后,黄原胶对 Pb2+的吸附性能结果如图2中所示。图中数据表明:黄 原胶对Pb2+的去除率在反应开始时増加较快,当吸附 时间为30 min后Pb2+的去除率己达到65.6°%;随吸附 时间的继续増加,Pb2+的去除率増加缓慢,可认为吸附 己基本达到平衡。因此,在以下的实验中,吸附时间选 取 30 min。
 
2.2 pH值对黄原胶吸附性能的影响
黄原胶对重金属离子的吸附与溶液的pH值有 关。在不同pH值下,黄原胶对Pb2+的吸附性能结果如  
图3中所示。可以看出:随着溶液pH值的升高,黄原 胶对Pb2+的去除率逐渐増加,pH值在6.5~8.5之间 时,去除率较高;pH>8.5以后,黄原胶对Pb2+的去除率 呈下降趋势。上述实验现象表明:黄原胶对Pb2+吸附 的最佳pH范围为6.5~8.5之间。这是因为黄原胶吸附 重金属离子,主要是通过分子侧链上的葡萄糖醛酸和 丙酮酸群赋予的黄原胶负电荷与重金属离子形成离 子对而实现的;当溶液中OH-浓度较高时,黄原胶分 子带有更多的负电荷,与带相反电荷的Pb2+产生静电 引力,从而有利于増加其对金属离子的去除率。pH值 进一步増高导致去除率下降,主要是由于Pb2+水解造 成的,在碱性环境中,OH-浓度増加导致Pb2+发生水 解,形成羟基络合物稳定存在于溶液中,从而导致去 除率显著降低[9]。此外,当pH值过高时,黄原胶中的- OH形成-O-,使其与Pb2+形成螯合物的溶解性増大, 这也是去除率降低的原因之一。
c(黄原胶)=1.0g/L,/=30min
 
40 - 20 -
图3 Pb:+i除率与溶液pH位关系图
2.3温度对黄原胶吸附性能的影响
温度是影响吸附的重要因素之一。在不同温度 下,黄原胶对Pb2+的去除率结果如图4所示。由图中 结果可以看出:随着温度升高,Pb2+的去除率逐渐増 加,说明黄原胶对Pb2+的吸附是吸热过程;当温度达 到35 °C时去除率达到80%,之后随温度的继续升高 去除率基本保持不变。因此,黄原胶去除Pb2+的适宜 温度为35 °C。但由于在实际应用中,去除废水中重金 属Pb2+时,大部分体系处于室温环境,黄原胶对水中铅离子吸附性能研究,故其它吸附条 件的研究仍选择在25 C下进行。
 
2.4黄原胶用量对吸附性能的影响
固定溶液中Pb2+浓度为10mg/L,改变黄原胶用 量(黄原胶浓度范围为0.2~1.6 g/D,考察其对Pb2+吸 附性能的影响,实验结果如图5所示。图5结果表明: 随着溶液中黄原胶浓度的増加,Pb2+的去除率逐渐増 大;当黄原胶加入量増大到0.8 g/L时,Pb2+的去除率 达到最大值80.7%;此后继续増加黄原胶用量,Pb2+的 去除率迅速降低,最终达到平衡。故黄原胶对Pb2+的 适宜吸附浓度为0.8 g/L。
 
黄原胶分子在水溶液中可形成多级结构。一级结 构是侧链和主链间通过氢键维系形成螺旋和多重螺 旋;二级结构是侧链绕主链骨架反向缠绕,通过氢键 维系形成棒状双螺旋结构;三级结构是棒状双螺旋结构 间靠微弱的非极性共价键结合形成的螺旋复合体[10]。 据文献报道:黄原胶在水溶液中通常以单体和棒状双 螺旋两种结构共存的形式存在,当黄原胶浓度高于 0.1 g/L时,棒状双螺旋结构所占比例将超过70%,浓 度继续升高将有一部分棒状双螺旋结构的黄原胶分 子进一步形成螺旋复合体结构™。黄原胶浓度的増加 有利于其缔合结构的形成,由此,黄原胶浓度高于0.8 g/L时Pb2+吸附量大幅度降低可能是由于此时大部分 黄原胶分子以螺旋复合体结构存在,这种高级结构的 存在导致黄原胶所带负电荷未直接暴露于溶液中,故 对Pb2+的吸附量迅速降低。
2.5吸附等温线
黄原胶在水溶液中对Pb2+的吸附性能可用吸附 等温线来表示。实验中控制溶液体积为100 mL,初始 金属离子浓度在5~30 mg/L范围内,黄原胶投加量为 0.1 g。将吸附平衡时所得数据分别用Langmuir和 Freundlich吸附等温式进行处理,得到黄原胶吸附 Pb2+的等温线分别如图6和图7所示,由图中直线方 程计算出的K和n值列于表1中。图6和图7表明: 黄原胶对Pb2+的吸附等温线符合Langmuir和Fre¬undlich 方程,说明这一吸附具有 Langmuir 和 Fre¬undlich 等温吸附的特点[12]。 由图 6(a)可以看出:黄原胶对水中铅离子吸附性能研究,等温 曲线有较大的斜率,表明黄原胶对Pb2+有较强的吸附 亲和力,在所研究的浓度范围内尚没有达到饱和吸附 平衡[13]。
 
 
Q〇/mg-g-1KnK
164.740.021.112.71
由表1中数据可以看出:黄原胶对Pb2+的最大吸附 容量可达164.7 mg/g(0.796 mmol/g),与同种类型的生 物吸附剂壳聚糖相比(铅离子浓度为10.94 mg/L的溶 液,在25 °C、壳聚糖用量为0.483 g、吸附80 min条件 下,壳聚糖对铅的饱和吸附量为0.748 2 mmol/g)[14], 二者最大吸附量相当,说明其对Pb2+具有较强的吸附 能力;但与一些交联或改性过的壳聚糖相比,黄原胶 吸附能力略低[15],这主要是由于黄原胶是未改性的天 然物质,其对Pb2+的吸附能力有一定限度,而改性后 的黄原胶预计其吸附能力也将有所提高。
2.6吸附机理探讨
黄原胶可以去除或回收废水中的重金属Pb2+,这 主要是由黄原胶分子的特殊结构所引起的。大家认为 黄原胶与Pb2+主要是通过离子对形成和螯合作用两 种机理而发生结合的。黄原胶分子侧链上的葡萄糖醛 酸和丙酮酸群赋予了黄原胶负电荷,故其可通过与带 相反电荷的Pb2+形成离子对进行吸附;同时,黄原胶 分子链段中含有大量的吸附中心-OH基团,这些吸附 中心都有孤对电子,遇到具有空d轨道的金属离子, 可参与对此类离子的螯合作用,形成不同形式的螯合 物,从而可进行吸附[9]。此外,黄原胶又具有多孔结构, 黄原胶对水中铅离子吸附性能研究,具有较大的表面积,因此,黄原胶对Pb2+具有较高的 吸附能力。
3结论
研究结果表明:在该实验条件下,黄原胶静态吸 附Pb2+的时间取30 min以上为宜;溶液的pH值影响 黄原胶的吸附效果,pH值在6.8~8.5之间时,去除率 较高,pH>8.5以后,黄原胶对Pb2+的去除率呈下降趋 势;黄原胶对Pb2+的去除率还受温度影响,随温度的 升高,去除率逐渐増加,适宜的去除Pb2+温度为35 C 以上;适宜的黄原胶用量为0.8 g/L。综上,黄原胶对去 除重金属Pb2+有很大的温度和酸碱度适用范围,且吸 附时间较短,处理方便,而且黄原胶本身可降解,环境 友好,无二次污染,因此有很好的应用前景。
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