纤维素气凝胶的制备及对刚果红的吸附性能

纤维素气凝胶的制备及对刚果红的吸附性能

农晶愿;邹政;杨惠越;张雅伟;唐祥伟;马荣秀;戚后娟;黄占华

【摘要】以微晶纤维素为原料,采用响应面分析法探讨了纤维素气凝胶(MCCA)吸

附剂的最佳制备工艺,并运用静态吸附实验研究了MCCA对刚果红(CR)的吸附行为及吸附机理.结果表明:当m(尿素):m(微晶纤维素)=6.0:2.5、环氧氯丙烷(ECH)体积分数为5.88％、交联温度65℃时,所得的MCCA对CR有较好的吸附能力;在20℃、CR质量浓度300 mg·L-1、pH=6及MCCA用量为0.05 g的条件下,MCCA对

CR的吸附容量可达163.8 mg·g-1,MCCA对CR的去除率为94.7％.MCCA对CR 的吸附动力学极其符合二级动力学方程模型;与Freundli-ch模型相比,Langmuir

模型更适合用来描述MCCA对CR的吸附过程;MCCA对CR的吸附热力学参数为ΔH=-0.00367 kJ·mol-1、ΔS=0.02162 J·(mol·K)-1、ΔG=-1.188 kJ·mol-1(323 K),这表明该吸附过程是自发放热的过程.MCCA经5次循环使用后,对CR的去除率仍旧可达90％以上,说明MCCA可循环再生使用,其制备工艺简单、经济,在染料废水处理方面具有较高的实际应用价值.

【期刊名称】《东北林业大学学报》

【年(卷),期】2019(047)002

【总页数】9页(P95-103)

【关键词】纤维素气凝胶;响应面优化;刚果红;吸附;动力学

【作者】农晶愿;邹政;杨惠越;张雅伟;唐祥伟;马荣秀;戚后娟;黄占华

【作者单位】东北林业大学,哈尔滨,150040;东北林业大学,哈尔滨,150040;东北林

业大学,哈尔滨,150040;东北林业大学,哈尔滨,150040;东北林业大学,哈尔

滨,150040;东北林业大学,哈尔滨,150040;东北林业大学,哈尔滨,150040;东北林业

大学,哈尔滨,150040

【正文语种】中文

【中图分类】TB332

染料废水因其成分复杂、色度深、难降解及危害大等特点，逐渐成为难处理的工业废水之一[1]。偶氮类染料如苏丹I、苏丹II、甲基红等都是实际生产中使用量极大的染料[2]，由于其易进入水体、难降解、毒性大、易致癌，并对环境危害极为严重，所以对工业废水中偶氮类染料的处理备受关注[3]。目前，Fenton氧化、超临界水氧化、生物降解、光催化及新兴的等离子体法等均可有效去除废水中的染料[4]，但这些方法通常都具有工艺流程复杂、运行费用较高且能耗较高的特点。与

之相比，生物吸附法凭借其操作简单、处理量大、易于设计运行和成本低廉等优点成为近些年的研究热点[5]。

目前，天然生物质基材料因其低成本、可再生及吸附容量高等特点引起了国内外学者的广泛关注[6-7]。Din et al.[8]采用经蒸馏水和柑橘柠檬水清洗后烘干以去除残留油的椰子纤维和棕榈纤维为吸附剂，对Desa Bakt河水样中的有机物质(NOM)

进行吸附。结果显示，最终椰子纤维的对NOM的吸附量为15.67 mg·g-1，棕榈纤维的对NOM的吸附容量为30.8 mg·g-1，为广泛利用纤维于治理污水方面提

出了依据。Li et al.[9]采用磁性壳聚糖和氧化石墨烯为原料制备离子液体(MCGO-IL)复合材料，并以此作为可生物降解的生物吸附剂来吸附重金属Cr(VI)，对Cr(VI)最大吸附容量可达145.35 mg·g-1，具有极好的吸附效果。Domínguez et al.[10]通过使用简单的热过程使聚木素与聚甲基乙烯基醚共马来酸(PMVE/MA)进行交联来制备水凝胶，发现此水凝胶对于亚甲基蓝的载量效率范围在440～840 mg·g-1。

Miao et al.[11]通过简单的溶剂热方法，以食用冬瓜为原材料成功地制备了装载在超轻TEMPO介导的氧化碳质气凝胶，此氧化碳质气凝胶在可见光下照射120

min内对罗丹明B的去除率可达100%。

而在生物质基材料中，由于纤维素有着价廉易得、储量丰富且可循环再生的特点[12]，以纤维素为基体的吸附材料的研究一直方兴未艾。Ding et al.[13]研究了在交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的作用下，聚丙烯酸或聚乙烯醇与麦草纤维素发生接枝共聚反应，获得了半渗透聚合物网络水凝胶，对Cu(II)的吸附容量为142.7 mg·g-1，并对氯霉素的还原率(CAP)可达90.59%，在含氯霉素废水处理方面极具潜力。Chong et al.[14]以纤维素为原料，经溶胶凝胶法冷冻干燥后得纤维素气凝胶，再用原位沉淀法对纤维素气凝胶进行改性，最大吸附量可达75.81 mg·g-1，并发现气凝胶对于刚果红(CR)的吸附容量取决于温度和浓度。Yu et al.[15]人以羧甲基纤维素钠为原料，胶原为氮源，三氯化铁为交联剂经过溶胶-凝胶、冷冻干燥、碳化和KOH活化等过程制备了氮掺杂碳气凝胶，该气凝胶具有发达的多孔三维结构和高比表面积，对孔雀石绿和亚甲基蓝的吸附容量分别为238.2、230.4 mg·g-1，在染料去除方面具有很好的应用前景。但不足的是，纤维素基吸附材料的改性制备因其存在着设备复杂与生产成本较高的问题，并不适用于工业化生产。鉴于此，本实验旨在采用一种简单且可实现大规模生产的工艺制备纤维素基气凝胶吸附材料，为在有效的实验次数里，节约时间和经济成本，探索出最优的制备条件，以期为后续的实际生产提供相应的实验数据，故采用响应面法对纤维素基气凝胶吸附材料的制备工艺进行优化。

响应面优化法是一种科学的工艺优化方法，能够产生模型并进一步预测最佳实验条件下的响应量，且具有可重复性高和节约成本等优点[16-18]，故将响应面法作为

优化本实验的方法。通过Design-Expert软件进行CCD响应面实验设计[19]，优化纤维素气凝胶(MCCA)的制备工艺，降低生产成本，从而为开发廉价、高效且可