英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

辐射接枝法制备纤维素基阳离子吸附剂及对染料废水的处理

Narender Kumar Goel, Virendra Kumar, Nilanjal Misra, Lalit Varshney

辐射技术开发部门,巴巴原子研究中心,ISOMED,特罗姆贝,孟买 400085,马哈拉施特拉邦,印度

摘要：以纤维素棉织物废料为原料、采用gamma;辐射源、根据一步绿色辐射法将聚[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵(PMAETC)共价接枝到棉纤维素基质上，制备得到阳离子吸附剂辐射接枝(PMAETC-g-cellulose)吸附剂，用以吸附水中的酸性染料酸性蓝25(AB25)和酸性蓝74(AB74)。用Langmuir和Freundlich方程分析了平衡吸附数据，用拟一级、拟二级、颗粒内扩散和Boyd模型分析了动力学数据。接枝率为25%的PMAETC-g-cellulose吸附剂对AB25和AB74的平衡吸附容量分别约为540.0mg/g和340.0mg/g。吸附数据的线性和非线性拟合结果表明，吸附平衡过程遵循Langmuir吸附等温线模型，动力学吸附过程遵循拟二级动力学模型。颗粒内扩散中多段线性表明，颗粒内扩散不是这些酸性染料在吸附剂上吸附的唯一速率控制过程，Boyd模型进一步证实了这点。通过洗提吸附在材料上的染料使吸附剂再生和重复利用。

关键词：棉纤维素,辐射接枝,酸性染料,吸附等温线

1 前言

纤维素是最丰富的天然聚合物，是最有可能取代石油基合成聚合物的资源之一。此外，天然聚合物的其他性质，包括可再生性、可生物降解性、广泛适用性、无毒性等使它们成为合成聚合物基材料的可持续性替代品的极好选择。在天然聚合物中，纤维素还具有其他优点，如因氢键网络而具有良好的机械强度，易于化学改性成各种所需产品等。在纤维素基产品的加工过程中，还会产生大量的纤维素废料，这些废料可以进一步适当地改性，用于多方面应用。每年从农业和棉花部门产生的纤维素基废弃物几乎没有商业价值，占据了大量空间，因此通常作为垃圾丢弃。印度每年消耗2600万吨棉纤维，每年产生大约20万吨棉纺织废料(Sundar，Arul，Sendilvelan，amp;Saravanan，2009)。传统处理方法中，燃烧棉花纤维素废料是应用最广泛的，但这种方法会对环境产生不利影响，是处理纤维素废料最不环保的方法。

因此，近年来，研究重点已转移到利用纺织胶辊吨纤维素废料生产增值产品上，例如用于处理另一废料(即纺织染料废水)的功能性吸附剂，以此作为一种有吸引力且低成本的替代性废料处理方法。纺织、皮革、造纸和塑料工业的废水由各种合成染料组成( Kurtoglu，2009；Marc，1996)。这些染料不加区别地释放到水流和河流中，对地下水质量产生负面影响，造成环境污染，并对人类和水生生物构成严重的健康风险(klemola，Pearson，Liesivuori，amp;Seppauml;，2007；Figueiredo，Boaventura，amp;Loureoro；2000)。近来，公众的日益关注和严格的环境管理法规迫使工业部门在排放废水之前对废水进行预处理，并寻求更有效和更经济的方法来处理这些废水。据观察，有限数量的染料可以在厌氧条件下微生物降解，这在大多数情况下导致致癌化合物(Robinson，Merchant，amp;Nigam，2001；Mayer，1981) 和诱变剂(Erkurt amp; arsad，2010)的产生。物理化学方法，如吸附、混凝、沉淀、过滤、臭氧处理、化学氧化、光催化处理、生物处理和电离辐射降解等已被提出用于染料废水处理(Rai et al.，2005)。其中，吸附是一种相对简单和高效的方法，避免了有毒二次降解副产物的产生。天然、半合成或合成的吸附剂已经过试验和测试，但在高成本或低吸附容量方面存在它们的限制。因此，需要经济高效、丰富、可循环利用的吸附系统，以有效处理工业废水中持续存在的高浓度染料 (Arundel，2012；Namasivayam，amp;Kavitha，2002；Vandevivere，Bianchi，amp;Verstraete，

1998）。本工作的目的是从纤维素棉废料中开发一种高效且低成本的功能化吸附剂，并探索使用该吸附剂处理来自纺织工业的另一种废料（即染料废水）的可能性。辐射诱导接枝已被证明是一种简单、高效和单步良性的方法，用于将所需的化学基团结合到各种现有的聚合物基材上。此外，刷状阳离子接枝聚合物链为染料分子的吸附提供了三维空间，导致高吸附容量和快速吸附动力学(Goel et al.，2009；Chaudhari et al.，2012；Kumar et al.，2006a；Kumar，Bhardwaj，Jamdar，Goel，amp;Sabharwal，2006b )。在目前的工作中采用PMAETC辐射接枝法制备了一种棉纤维素基强阳离子吸附剂，并将其用于吸附和去除水溶液模型中的两种酸性染料。采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型对平衡吸附数据进行分析，采用拟一级、拟二级、粒子内扩散和博伊德模型对吸附动力学数据进行分析(Langmuir，1916；Freundlich，1906；Ho，Ng，amp;McKay，2000；Bhattacharyya，amp;Sharma，2005)。

2 实验

2.1 材料

将从本地获得纺织棉织物废料用水和乙醇洗涤，在50℃干燥并储存在干燥器中以供进一步使用。从Aldrich获得的[2-(甲基丙烯酰氧基)-乙基]三甲基氯化铵(MAETC)水溶液(80 %)按原样使用。从Sigma-Aldrich获得酸性蓝25(AB25，染料含量为45%)和酸性蓝74(AB74，染料含量为85%)，并经适当稀释后使用。本研究中使用的酸性染料的化学结构示于图S1 (补充数据)。所有其他化学品纯度gt;99%。用双蒸馏水配制所有溶液并从接枝样品中提取均聚物。辐射接枝过程采用gamma;室(GC 5000，BRIT，India)，60Co辐射源，剂量率为2.5 kGy/h，由fricke测定法测定。

2.2 方法

2.2.1 辐射接枝法

通过采用60Co-gamma;辐射源将PMAETC（具有季铵基团作为强阳离子吸附物质）在纤维素胶辊主链上相互辐射接枝从而可以简单地一步绿色合成阳离子化棉纤维基吸附剂(PMAETC-g-cellulose)(Goel et al.，2009)。简单地说，将已知重量的棉花纤维素样品浸入含有已知体积的20%PMAETC水溶液的塞式玻璃管中，在gamma;室中照射各种吸收辐射剂量。辐照后，将接枝样品从玻璃管中取出，在索氏萃取组件中用水萃取，以除去接枝样品中捕获的PMAETC均聚物。将灰化的辐射接枝阳离子化纤维素样品在50℃真空下干燥，并储存在干燥器中用于随后的染色吸附研究。使用以下关系进行重量法测定PMAETC在棉花细胞损失基质上的接枝程度：

(1)

氮元素分析进一步证实了PMAETC的接枝反应。用元素分析仪测定了PMAETC-g-cellulose的氮含量(Flash EA-1112 from Thermofinnigan，Italy)。在红外亲和-1光谱仪(Shimadzu，Japan)上，采用单反射ATR模式进行傅里叶变换红外分析(FTIR)。FTIR光谱的记录范围为400至4000cm^-1，分辨率为4cm^-1，平均扫描50次。

采用SEMART PE-250(Pemtron Corporation，Korea)扫描电子显微镜(SEM)和二次电子检测器，在20kv加速电压下，研究棉纤维接枝前后的表面形貌。使用银膏将样品粘贴到导电表面上，并在离子溅射涂布机中涂覆金。随后，采集样品的SEM图像。

2.2.2 染料的吸附平衡

在染料平衡吸附实验中，将固定质量(0.05g)的PMAETC-g-cellurose吸附剂样品(G.Y. =25%)在50mL不同浓度的染料水溶液中平衡。用紫外-可见光分光光度计(Evolution-300，Thermoelectron Corporation Ltd.，UK)测定了溶液中的残余平衡染料浓度，并绘制了AB25和AB74在处的线性校准曲线。在平衡状态下吸附在吸附剂上的染料量q_e(mg/g)使用以下式估算:

(2)

其中C_o和C_e为染料的初始和平衡液相浓度(mg/L)，V为染料溶液的体积(mL)，m为吸附剂的干质量(g)。

使用origin7.5软件进行线性和非线性回归分析，以便使用确定系数(R²)作为误差函数来确定最佳拟合等温线模型。用平均百分比误差值(ε)作为选择最合适等温线模型的支持标准。计算了实验值与预测值之间的平均百分比误差(ε)。(3)(Tunc，Tanaci，amp;Aksu，2009)。

（3）

其中q_e，i，exp是实验平衡固相染料浓度，q_e，i，cal是根据等温线模型估计的平衡固相染料浓度，N是点数。

2.2.2.1 Langmuir吸附等温线

Langmuir等温线模型是基于理论上吸附剂具有有限吸附容量的假设，因此，一旦达到饱和，就不再发生进一步的吸附(Langmuir，1916)。Langmuir等温线模型可以用一个简化的表达式来表示(4)(Ho，Porter，amp;McKay，2002)。

（4）

其中q_e是固相染料浓度(mg/g)，C_e是平衡时液相染料浓度(mg/L)；K_L(L/g)和a_L(L/mg)是Langmuir等温线常数。

事实上，Langmuir等温线方程(4)可重新排列成四种不同的线性表达式(5)-(8)，并对实验平衡染料吸附数据进行线性回归分析。

(5)

(6)

(7)

(8)

理论单层饱和容量q_max(mg/g)使用以下公式估算:

(9)

用于预测染料吸附行为的无量纲分离因子R_L使用以下公式估算(10)(Geethakarthi

amp;Phanikumar，2011)：

（10）

其中C_o是初始染料浓度(mg/L)；0lt;R_Llt;1表示有利吸附，R_Lgt;1表示不利吸附，R_L=1表示线性吸附，R_L=0表示不可逆吸附(Bhattacharyyaamp;Sharma，2005；Hoamp;McKay，1998)。

2.2.2.2 Freundlich吸附等温线

Freundlich等温线是用于描述非均相系统的经验方程(Freundlich，1906)，表示为以下方程：

（11）

方程（11）可转化为Freundlich等温线的线性形式：

（12）

其中K_F是Freundlich等温线常数[(mg/g)/(mg/L)^1/n)，1/n为异质性因子。与Langmuir模型不同，Freundlich等温线提倡可逆吸附，并不限于单层的形成。Freundlich方程预测，只要溶液中染料浓度增加，吸附剂上的染料浓度就会增加。指数(n)是吸附强度的量度，其值在1lt;nlt;10的范围内表示良好的吸附；n值越高，吸附强度越强，K_F值越高，吸附量越大(Tunc et al.，2009)。

2.2.3 吸附动力学

为了进行染料吸附动力学研究，将0.1gPMAETC-g-cellulose(G.Y.=25%)浸入100mL400 ppm水溶液中，温度为25℃。在不同吸附时间用分光光度法测定溶液中染料浓度。用拟一级(Chiouamp;Li，2003)、拟二级(Semerjian，2010)、颗粒内扩散(Bhattacharyyaamp;Sharma，2005)和Boyd模型(Boyd，Adamson，Myers，1947)研究了染料在PMAETC-g-cellulose吸附剂上的吸附动力学。

2.2.3.1 拟一级动力学模型

拟一级线性表达式，也称为Lagergren方程(Chiouamp;Li，2003：Kapsabelisamp;Prestidge，2000；Hoamp;McKay，1999)，表示为以下方程式：

（13）

其中q_e(mg/g)和q_t(mg/g)分别是固相染料平衡浓度和时间“t”时染料平衡浓度，k₁(min^-1)是拟一级速率常数。

2.2.3.2 拟二级动力学模型

下面给出了拟二级模型的线性表达式(14)，最常用于固液吸附系统(Namasivayamamp;Kavitha，2002；Wu，Tseng，amp;Juang，2001；Hoamp;a

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[23921]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word