纤维素黄原酸盐处理废水的工艺优化研究_刘雪琴.pdf

2 0 2 3年1月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第2 5卷 第2期收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 3作者简介:刘雪琴(1 9 8 9-),女,硕士,工程师,研究方向为市政给排水。纤纤维维素素黄黄原原酸酸盐盐处处理理废废水水的的工工艺艺优优化化研研究究刘雪琴1,陈绪章2(1.华茗设计集团有限公司湖北第一分公司,湖北 武汉4 3 0 0 6 1;2.黄石市富池水务有限公司,湖北 黄石4 3 5 2 0 0)摘要:对凤眼莲纤维素黄原酸镁盐制备工艺进行了优化,分别对“碱化-酯化-镁盐置换-洗涤”4个主要步骤中的“碱化”“镁盐置换”及“洗涤”进行了改进。结果表明:在置换反应中,用钙盐代替镁盐,并在置换之前调节p H值为1 1,这样可以有效防止吸附剂产品中产生无机盐沉淀杂质;在N a OH碱化后得到碱化纤维素的基础上增加了水洗步骤,这样可以更完全地去除木质素,从而提高了碱化纤维素的纯度;在对纤维素黄原酸钙盐洗涤时,用碱水与酒精的混合液代替无机盐与酒精混合液进行了洗涤,有效提高了产品中有效成分(纤维素黄原酸钙)含量及其对重金属的吸附效果。这些步骤优化了纤维素黄原酸盐吸附剂的制备工艺,有利于提高其吸附去除重金属的效果。关键词:凤眼莲;纤维素黄原酸盐;工艺优化;重金属中图分类号:X 5 2 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 9 4 4(2 0 2 3)0 2-0 1 5 1-0 5S t u d yo nP r o c e s sO p t i m i z a t i o no fC e l l u l o s eX a n t h o g e n a t e s f o rW a s t e w a t e rT r e a t m e n tL i uX u e q i n1,C h e nX u z h a n g2(1.H u b e iF i r s tB r a n c ho fH.M.D e s i g nC o.,L TD.,W u h a n,H u b e i4 3 0 0 6 1,C h i n a;2.H u a n g s h iF u c h iW a t e rC o.,L TD.,H u a n g s h i,H u b e i4 3 5 2 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep r e p a r a t i o np r o c e s so f c e l l u l o s em a g n e s i u mx a n t h o g e n a t e so fE Cw a so p t i m i z e d.T h e f o u rm a i ns t e p so f a l k a l i z a t i o n-e s t e r i f i c a t i o n-m a g n e s i u ms a l t r e p l a c e m e n t-w a s h i n g w e r e i m p r o v e dr e s p e c t i v e-l y.T h er e s u l t ss h o wt h a t:i nt h e r e p l a c e m e n t r e a c t i o n,m a g n e s i u ms a l tw a s r e p l a c e db yc a l c i u ms a l t,a n dt h ep H w a sa d j u s t e dt o1 1b e f o r er e p l a c e m e n t,w h i c hc a ne f f e c t i v e l yp r e v e n t i m p u r i t yp r o d u c t i o no fa d s o r-b e n t;L i g n i nc a nb e r e m o v e dm o r e c o m p l e t e l y,t h u s i m p r o v i n g t h ep u r i t yo f a l k a l i z e dc e l l u l o s ew h e na d d i n gw a s h i n gs t e pa f t e rt h ea l k a l i z a t i o n;W a s h i n gw i t ht h em i x t u r eo fa l k a l iw a t e ra n da l c o h o l i n s t e a do ft h em i x t u r eo f i n o r g a n i c s a l t a n da l c o h o l c a ne f f e c t i v e l y i m p r o v e t h e c o n t e n t o f a c t i v e i n g r e d i e n t(c a l c i u mc e l l u l o s ex a n t h o g e n a t e s)a n d i t sa d s o r p t i o ne f f e c to nh e a v ym e t a l.T h e s es t e p so p t i m i z e t h ep r e p a r a t i o np r o c e s so f c e l-l u l o s ex a n t h o g e n a t e sa d s o r b e n t,w h i c h i sb e n e f i c i a l t o i m p r o v e i t sa d s o r p t i o na n dr e m o v a l o fh e a v ym e t a l s.K e yw o r d s:E i c h h o r n i a c r a s s i p e s;C e l l u l o s ex a n t h o g e n a t e s;p r o c e s so p t i m i z a t i o n;h e a v ym e t a l1 引言凤眼莲(E i c h h o r n i a c r a s s i p e s)属雨久花科、凤眼莲属,俗名水葫芦。由于凤眼莲的养分耐受范围广,同时,水体污染加重,为凤眼莲提供了更多的养分,导致了凤眼莲的入侵、爆发1。特别在我国南方江河湖泊中,凤眼莲大量滋生,大大影响了河流景观,堵塞了河道,给航运带来很大不便2。另外,其腐败后污染水质,妨碍其它水生植物生长,对水体生态系统也造成严重危害3。同时,由于凤眼莲具有很强的去污能力和净水效果4,在一定条件下,它又是恢复水生生态系统的重要植物之一5,因此,要充分发挥凤眼莲的治污作用,关键是解决其高效利用的瓶颈问题。近年来,利用植物秸秆类生物质经化学改性制备重金属吸附剂的研究有很多6,7,其中以制备纤维素黄盐酸盐是重要的一类8。利用木质纤维素制备纤维素黄盐酸盐的原理9为:将木质纤维素通过强碱处理后,其中的大部分果胶、木质素和半纤维素等低151DOI:10.16663/ki.lskj.2023.02.010 刘雪琴,等:纤维素黄原酸盐处理废水的工艺优化研究环境与安全分子杂质被溶解,纤维素分子取向度提高1 0,再进行酯化反应引入-C(S)-S-官能团,最后用稀镁盐或者钙盐交换取代钠盐,形成纤维素黄原酸镁盐或钙盐吸附剂1 1。凤眼莲秸秆的主要特点是灰分、果胶和蛋白质含量高1 2、聚合度低,易被化学改性1 3。如果将凤眼莲改性制备成重金属吸附剂1 4,这样既可避免其过度繁衍造成的二次污染,保持水体的生态平衡,而且还能将凤眼莲的治理和资源有效利用结合起来,实现重金属资源的循环利用。现有研究主要集中在纤维素黄原酸盐主要合成步骤中的工艺条件筛选1 5以及处理重金属废水的工况条件优化方面研究1 6,1 7,对于纤维素黄原酸盐制备工艺缺乏进一步的优化研究,而这些工艺对其吸附重金属的效果有着重要影响。在凤眼莲纤维素黄原酸盐制备工艺中,主要的制备步骤为“碱化-酯化-镁盐置换-洗涤”,即以凤眼莲为原料,通过N a OH碱化、C S2酯化,生成中间产物纤维素黄原酸钠盐后,再用M g S O4与纤维素黄原酸钠盐发生置换反应而制备成纤维素黄原酸镁盐,再经硫酸镁与酒精的混合液进行洗涤而得1 8。该工艺制备的纤维素黄原酸镁盐吸附剂含有一定量的M g(OH)2或M g C O3杂质,影响了吸附剂有效成分(纤维素黄原酸镁)发挥其吸附重金属的作用。本文分别对4个主要步骤“碱化”“镁盐置换”及“洗涤”进行优化改进,获得凤眼莲纤维素黄原酸钙盐的优化制备工艺,以便更有效地处理含重金属废水。2 材料与方法2.1 实验材料供试凤眼莲秸秆取 自武昌野芷 湖水域(E 1 1 4 2 3,N 3 0 3 3),将其用自来水洗净后切去根,杀青、风干,粉碎过3 5目筛,烘干保存备用。为简便起见,本文中将凤眼莲茎叶简称为凤眼莲,英文标识E.c r a s-s i p e ss t e m&l e a f简化为E.c r a s s i p e s,E C。2.2 实验方法2.2.1 纤维素黄原酸盐原工艺制备方法将5g的凤眼莲秸秆粉末样中加入1 0 0m L2 0%N a OH溶液,在恒温(3 0)电磁搅拌器中搅拌6 0m i n,离心得到碱化纤维素(碱化步骤)。再往碱化纤维素中加入1 0 0m L1 0%N a OH溶液,并用少量蒸馏水将瓶壁上的纤维素也冲入瓶中,然后逐滴加入0.2m LC S 2,搅拌反应9 0m i n(酯化步骤),再加入1 0m L1 0%的M g S O4溶液,继续搅拌1 0m i n后离心(镁盐置换),然后用稀浓度M g S O4溶液和酒精的混合液洗涤(V硫酸镁V酒精=41)至上层液p H值恒定(洗涤步骤),将固体于5 02烘干并研磨过4 0目筛,所得粉末样即为凤眼莲纤维素黄原酸盐镁盐吸附剂产品(E C X-M g)。2.2.2 改进工艺一-置换反应工艺优化改进工艺一前面步骤跟原工艺一致,但在加入C S 2发生酯化反应后,用2m o l/L稀盐酸调节体系p H值至1 1,再加入1 0m L1 0%的氯化钙溶液,继续搅拌1 0m i n,将混合物离心,倒出并回收上层液体,然后用5%氯化钙溶液和酒精的混合液(V氯化钙V酒精=4 1)洗涤至上层液p H值恒定,将固体于5 02 C烘干并研磨过4 0目筛,所得粉末样即为凤眼莲纤维素黄原酸盐钙盐吸附剂产品(E C X-C a(1 1)。同时,在引入钙盐之前,用2m o l/L稀盐酸调节体系p H值分别至9,1 2,1 3,其他步骤与改进工艺一相同,制备出对 应的吸附剂 产品依次为E C X-C a(9),E C X-C a(1 2)和E C X-C a(1 3),作为对照。2.2.3 改进工艺二-碱化工艺优化在改进工艺一的基础上,离心得到碱化纤维素后,增加用蒸馏水洗至其p H值稳定的步骤,制得凤眼莲纤维素黄原酸盐钙盐吸附剂产品。2.2.4 改进工艺三-产物洗涤工艺优化在改进工艺二的基础上,钙盐置换步骤中,对发生钙盐置换的钙盐浓度(5%,1 0%,2 0%,4 0%)进行筛选,改进工艺一使用的就是5%的钙盐浓度,其它3种不同浓度钙盐洗涤液(1 0%,2 0%,4 0%)在配制时只要将5%钙盐洗涤液分别换成对应浓度的钙盐与酒精混合液即可,纤维素黄原酸钙盐制备步骤完全相同。四种浓度钙盐洗涤液条件下制得吸附剂分别简写为E C X-C a(5),E C X-C a(1 0),E C X-C a(2 0)和E C X-C a(4 0)。将上述4种吸附剂分别经碱水(p H=9,由蒸馏水配制,氢氧化钠微调