磁性壳聚糖微球对酸性嫩黄G吸附行为的研究_朱明新.pdf

第 43 卷第 2 期2023年 2 月Vol.43 No.2Feb.，2023 工业水处理Industrial Water TreatmentDOI：10.19965/ki.iwt.2022-085861磁性壳聚糖微球对酸性嫩黄 G吸附行为的研究朱明新，张进雨，陈贝贝，刘家扬，潘顺龙，周华（南京工业大学环境科学与工程学院，江苏南京 211816）摘要 随着我国工业化进程的快速推进，大量印染废水随之产生。印染废水具有色度高、有机物含量高、难降解等特点，且存在致畸、致癌等健康风险，对环境和人类健康造成极大危害。本研究采用反相乳液法制备了磁性壳聚糖微球（MCPs），并系统研究了其对酸性嫩黄 G 染料的吸附行为。结果表明，MCPs 对酸性嫩黄 G 的平衡吸附量（qe）随染料初始浓度的增大而增大，随 pH 的减小而增大。在 MCPs 添加量为 0.05 g、染料初始质量浓度为1 000 mg/L、溶液体积为 50 mL、pH为 3.5、吸附时间为 24 h的条件下，MCPs对酸性嫩黄 G的吸附量达到 272.86 mg/g。在时间尺度上，前 200 min内 MCPs对酸性嫩黄 G的吸附量随时间延长迅速增加，200480 min时吸附速率逐渐降低，480 min后吸附基本达到平衡。吸附动力学表明，MCPs对酸性嫩黄 G的吸附过程符合准二级动力学模型，属于化学吸附。Langmuir模型相关系数高达 0.924 9，表明 MCPs吸附酸性嫩黄 G 的过程为单分子层吸附。本研究可为 MCPs在印染废水处置领域的基础及应用研究提供一定思路。关键词 壳聚糖；磁性微球；染料；吸附；吸附模型中图分类号 X703；TQ424 文献标识码 A 文章编号 1005-829X（2023）02-0061-07Investigation of adsorption behavior of magnetic chitosan microspheres to acid light yellow GZHU Mingxin，ZHANG Jinyu，CHEN Beibei，LIU Jiayang，PAN Shunlong，ZHOU Hua（School of Environmental Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China）Abstract：With the rapid progress of industrialization of China，a large number of dyeing waste water was produced.The dyeing waste water was endowed the characteristics of high chroma，high organic content and difficult to degradation.At the same time，there were series of health risks such as teratogenicity and carcinogenicity of dyeing waste water，resulting in great harm to environment and human health.This work aimed to fabricate magnetic chitosan microspheres（MCPs）by reversed emulsion method，and systematically investigated adsorption behaviors of MCPs to acid light yellow G.The results showed that the equilibrium adsorption capacity（qe）increased with the increase of initial dye concentration and decrease of pH for the dye solution.When the preparation conditions were as follows：MCPs addition 0.05 g，initial dye concentration 1 000 mg/L，volume of the dye solution 50 mL，pH 3.5 and adsorption time 24 h，MCPs exhibited adsorption capacity of 272.86 mg/g.On time scales，the adsorption capacity of MCPs for acid yellow G increased with time in 200 min，while the adsorption rate gradually decreased from 200 min to 480 min，and the adsorption process almost reached equilibrium state after 480 min.The investigation of adsorption kinetics confirmed that the adsorption process conformed to quasi second-order kinetic model，which belonged to chemical adsorption.The investigation of adsorption isotherm model implied that the correlation coefficient of the adsorption process to Langmuir model was high to 0.924 9，suggesting a mono-layer adsorption of this process.This work could provide some ideas for the theoretical and applied researches of MCPs in the field of dyeing water treatment.Key words：chitosan；magnetic microspheres；dye；adsorption；adsorption model印染废水属于高污染废水，具有色度高、有机成分复杂等特点，是较难处理的工业废水之一1-2。目前，全球每年生产各类染料共计上万t，被广泛应用于纺织、印刷、皮革等行业，其中约 10%会由于未被有效固定基金项目 国家自然科学基金项目（52000102）；江苏省自然科学基金项目（BK20190689）试验研究开放科学（资源服务）标识码（OSID）：试验研究工业水处理 2023-02，43（2）62而流失，并大部分以印染废水的形式进入环境3-4。通常情况下，为了满足消费端需求，市场上常用的阳离子染料和阴离子染料具有很强的抗生物降解性；同时，由于分子结构中含有苯、偶氮基团，大多数合成染料对人体具有致畸、致癌等负面作用5-6。随着人们对环境问题和健康问题的日益关注，如何高效处置印染废水成为业界亟待解决的重要课题。目前，印染废水的主要处置技术有吸附法、絮凝法、光催化降解法和膜过滤法等7-8。其中，吸附法因具有操作简单、成本低廉、效率高等特点而备受业界关注9。壳聚糖是地球上产量仅次于纤维素的生物质聚合物，广泛存在于虾、蟹等甲壳类动物。壳聚糖具有优异的生物相容性、可降解性，特有的氨基也赋予其优异的络合性能，因而在废水处理领域具有广阔的应用前景。靳君等10采用碱液沉积交联法制备了多壁碳纳米管/壳聚糖复合材料（MWCNTs/CS），并系统研究了其对二甲酚橙和茜素红染料的吸附行为，结果表明，当 MWCNTs与 CS质量比为 1 4、交联剂戊二醛投加量为 2.5 mL、交联温度为 50、交联时间为 5 h 时，MWCNTs/CS 对茜素红的最大吸附量可达 291.44 mg/g，对二甲酚橙的最大吸附量可达263.59 mg/g。凌云霞飞等11以戊二醛为交联剂，将超支化聚酰胺与壳聚糖交联，制备了超支化聚酰胺接枝壳聚糖吸附剂，并研究了其对孔雀石绿、日落黄和 Cu2+的吸附行为，该吸附剂对三者的最大吸附容量分别是 515.30、201.79、80.00 mg/g，且吸附行为基本符合 Langmuir方程。张伟等12采用溶胶-凝胶法制备了壳聚糖-钒钛磁铁矿复合材料（CS-VTM），并系统研究了其对酸性橙废水的吸附行为，当酸性橙质量浓度为 100 mg/L 时，CS-VTM 对酸性橙的吸附容量达到 246.8 mg/g，且其吸附行为符合准二级动力学模型。但是，目前制备的壳聚糖吸附材料多为膜材或片材，对于微米尺度壳聚糖吸附剂的研究较少。基于此，本研究以戊二醛为交联剂，采用反相乳液法制备了磁性壳聚糖微球（MCPs），并系统研究了其对酸性嫩黄 G 染料的吸附行为，以期为微米尺度壳聚糖吸附剂的研究开发提供一定思路。1 实验部分1.1试剂与仪器试剂：壳聚糖（CS，脱乙酰度95%）、无水氯化铁（FeCl3）、四水氯化亚铁（FeCl24H2O）、氢氧化钠、司班 80、环己烷、冰醋酸、戊二醛、无水乙醇、酸性嫩黄G，均为分析纯。仪器：DGG-9240A 型电热恒温鼓风干燥箱，苏州江东精密仪器有限公司；L5型紫外可见分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司；PHS-2F 型 pH 计，上海仪电科学仪器股份有限公司；Lake Shore 7404型 振 动 样 品 磁 强 计，美 国 Lake Shore 公 司；D8 ADVANCE型 X射线衍射光谱仪，德国布鲁克公司。1.2Fe3O4纳米粒子的制备采用共沉淀法制备 Fe3O4纳米粒子。首先将3.36 g FeCl3和 2.06 g FeCl24H2O 溶解于 50 mL 无氧水中，搅拌 20 min至均匀状态；将获得的混合溶液以1 滴/s 的速度滴加进 80 的 2 mol/L NaOH 溶液中（200 mL），滴加完毕后，混合溶液继续在 80 条件下搅拌 1 h；所得悬浮液用磁铁分离，得到黑色粉末，用无氧水洗涤 5 遍，再在 40 条件下干燥 8 h，即得到 Fe3O4纳米粒子，备用。1.3MCPs的制备在室温条件下，将 3 g壳聚糖粉末溶解在 60 mL质量分数为 1%的醋酸中得到黏稠的壳聚糖溶液；将 2 g Fe3O4纳米粒子用 5 mL 去离子水超声分散30 min，所获悬浮液与壳聚糖溶液混合搅拌 12 h 至均匀状态，得到壳聚糖/Fe3O4混合液；在 500 mL三口瓶中加入 375 mL 环己烷以及 2.5 mL 司班 80，搅拌1 h 至均匀状态；将制备的壳聚糖/Fe3O4混合液以1滴/s的速度滴加进环己烷中，滴加完毕后继续搅拌12 h 至均匀；向体系中加入 4 mL 戊二醛溶液，升温至 50，继续搅拌 1 h；磁分离获得黑色微球，并用乙醇/水交替洗涤 6次，获得产物在 60 条件下干燥6 h，即获得 MCPs。1.4材料表征采用 X 射线衍射光谱仪对壳聚糖粉末、Fe3O4纳米 粒 子 以 及 MCPs 进 行 测 试，Cu 靶，K射 线（=0.154 nm），扫描范围 580，2准确度 0.02。采用振动样品磁强计对 Fe3O4纳米粒子以及MCPs进行测试，测试温度 25，测试范围-20 00020 000 Oe，频率 12 Hz。1.5吸附实验酸性嫩黄 G溶液在 383 nm波长处有良好的吸光特性，选取该波长处吸光度与样品浓度绘制标准曲线，63工业水处理 2023-02，43（2）朱明新，等：磁性壳聚糖微球对酸性嫩黄 G吸附行为的研究标准曲线方程为Y=0.012 8