CN105688833A - 一种生物质吸附剂及应用该吸附剂处理含镉废水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种生物质吸附剂，其特征在于，其制备方法包括：步骤1：将玉米衣洗涤以去除表面的泥土和杂质，用水浸泡去除可溶物，干燥后，用剪刀将玉米衣剪碎，装袋备用；步骤2：将步骤1所得的玉米衣浸泡在改性剂高锰酸钾溶液中，置于75-85℃的恒温箱内，静置55-65min，过滤，洗涤，烘干，得到高锰酸钾改性玉米衣，作为生物质吸附剂。本发明制备的改性玉米衣生物质吸附剂具有制备步骤较少、吸附操作简单、适用条件范围广、设备占地面积小和处理后废水可循环利用等优点，同时提高了农林废弃物的资源利用率，有较好的应用前景。

Description

一种生物质吸附剂及应用该吸附剂处理含镉废水的方法
技术领域
本发明属于废水吸附剂领域，特别涉及一种生物质吸附剂及应用该吸附剂处理含镉废水的方法。
背景技术
镉是一种重要的工业产物和环境污染物，大气中的镉污染主要来自工业生产，如有色金属的冶炼、含镉废弃物处理等；水体的镉污染来自地表径流和工业废水，制取硫酸和磷肥会排放高度含镉废水；土壤的镉污染主要来自于含镉废渣堆积以及磷肥和农药的施用。镉是一种能在生物体和环境中长期蓄积的有毒有害重金属元素，可通过生物链在人体中富集，引起慢性中毒。
传统的去除水中重金属离子的方法有混凝法、化学沉淀法、离子交换法、膜分离法、反渗透法、氧化法、溶剂萃取等等，但是需要消耗大量的化学试剂，操作步骤复杂，去除过程会产生二次污染的污泥；而吸附法具有处理成本低，适用范围广，占地面积小，处理后废水可循环利用等优点，在处理重金属废水方面有广阔的应用前景。
我国的农林废弃物来源丰富、价格低廉、可生物降解，生命周期短，结合吸附法，利用生物质细胞特殊的结构作为吸附剂，一方面可显著增加农林废弃物的资源利用率，另一方面也开发了吸附领域吸附剂选择的有效范围。玉米是我国主要粮食作物之一，年产亿吨以上，玉米收获后取其果穗加工食用，包裹在果穗外的薄膜状叶子即玉米衣，一般被丢弃，或用作牲口饲料，目前其利用价值还未完全开发；与玉米相关的植株部分玉米秸秆等曾作为研究对象用作对镉的吸附剂的研究，而最近的研究尚未挖掘玉米衣作为重金属镉的吸附剂的潜力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种含镉废水的处理方法，该方法吸附剂制备步骤较少、吸附操作简单、适用条件范围广、设备占地面积小，处理后废水可循环利用。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种生物质吸附剂，其特征在于，其制备方法包括：
步骤1：将玉米衣洗涤以去除表面的泥土和杂质，用水浸泡去除可溶物，干燥后，用剪刀将玉米衣剪碎，装袋备用；
步骤2：将步骤1所得的玉米衣浸泡在改性剂高锰酸钾溶液中，置于75-85℃的恒温箱内，静置55-65min，过滤，洗涤，烘干，得到高锰酸钾改性玉米衣，作为生物质吸附剂。
优选地，所述的步骤1中的洗涤为用自来水洗涤3-5次。
优选地，所述的步骤1中的浸泡为用蒸馏水浸泡25-35min。
优选地，所述的步骤1中的干燥为采用鼓风干燥箱在50-55℃下干燥3-4h。
优选地，所述的步骤1中的玉米衣剪碎后呈面积为6mm*7mm的片状。
优选地，所述的步骤2中的改性剂高锰酸钾溶液的浓度为0.9-1.2g/L。
优选地，所述的步骤2中的过滤为用网眼为2mm的网过滤出玉米衣。
优选地，所述的步骤2中的洗涤为用蒸馏水冲洗玉米衣直至洗涤水为无色。
优选地，所述的步骤2中的烘干为在50-55℃在恒温干燥箱中干燥3-4h。
本发明还提供了上述的生物质吸附剂的制备方法。
本发明还提供了应用上述的生物质吸附剂处理含镉废水的方法，其特征在于，包括：将待处理的镉的浓度为20-100mg/L的含镉废水的pH值调节为2.0-8.0，加入上述的生物质吸附剂，含镉废水和生物质吸附剂的用量比为40mL∶0.05-0.25g，在25-35℃下进行振荡吸附0.08-5h。
优选地，所述的含镉废水的pH值通过0.1mol/L的盐酸和/或0.1mol/L氢氧化钠调节。
优选地，所述的含镉废水的pH值调节为8.0，含镉废水中镉的浓度为20mg/L，含镉废水和生物质吸附剂的用量比为40mL∶0.100g。
优选地，所述的振荡为在设置转速为110-130rpm、温度为25℃的恒温振荡器中振荡3h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明制备的改性玉米衣生物质吸附剂具有制备步骤较少、吸附操作简单、适用条件范围广、设备占地面积小和处理后废水可循环利用等优点，同时提高了农林废弃物的资源利用率，有较好的应用前景。
附图说明
图1所述高锰酸钾改性玉米衣生物质吸附剂的红外图；
图2所述高锰酸钾改性玉米衣生物质吸附剂吸附后的红外图；
图3所述高锰酸钾改性玉米衣生物质吸附剂图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种生物质吸附剂，其制备方法为：
(1)将玉米衣用自来水冲洗3次，以除去其表面的泥土和杂质，然后用蒸馏水浸泡30min去除可溶物，在50℃下经鼓风干燥箱中干燥3h后，用剪刀将玉米衣剪碎至其片状面积约为6mm*7mm，装袋备用。
(2)配置1g/L的高锰酸钾溶液，量取30mL高锰酸钾溶液加入到容积为60mL的聚四氟乙烯瓶，将0.5g步骤(1)中制备的玉米衣浸泡在所述的高锰酸钾溶液中，用玻璃棒搅拌，使得所有玉米衣叶片浸润高锰酸钾溶液，密封；将聚四氟乙烯瓶放置在设置80℃的恒温箱中静置改性1h后，取出，冷却至室温，利用网眼为2mm的网过滤出玉米衣，用蒸馏水冲洗玉米衣直至洗涤水为无色，然后将玉米衣在50℃恒温干燥箱中干燥3h，得到高锰酸钾改性玉米衣生物质吸附剂，如图3所示，取出后装袋备用。
用实施例1制备得到的生物质吸附剂进行以下实施例2-5中的去除Cd(II)的吸附实验。
实施例2
用0.2％硝酸将1000ppm镉标准溶液稀释成一系列浓度(20、40、60、80和100mg/L)镉溶液，分别量取各个浓度镉溶液40mL于250mL锥形瓶中，用0.1mol/L的盐酸或0.1mol/L氢氧化钠调节pH值为6.0，称量0.100g实施例1得到的高锰酸钾改性玉米衣生物质吸附剂加入锥形瓶中，摇晃锥形瓶使所有玉米衣叶片浸润镉溶液，将锥形瓶用塑料薄膜封口，减少溶液水分的蒸发，然后放置在恒温振荡器中，于25℃、120rmp条件下振荡吸附3h，取出锥形瓶，用网眼为2mm的网过滤出玉米衣，将滤液用0.2％硝酸稀释十倍，再用注射器及0.45μm的醋酸纤维滤膜过滤，利用火焰原子吸收分光光度计测定滤液中Cd(II)浓度。其吸附结果如表1所示：
Cd(II)的吸附率按照以下公式计算(下同)：
上式中，C0为吸附前废水中Cd(II)浓度(mg/L)，C为吸附一定时间后废水中剩余的Cd(II)浓度(mg/L)。
表1：高锰酸钾改性玉米衣吸附剂在不同初始质量浓度的含镉废水中对Cd(II)的去除效果
由表1可知，金属初始质量浓度在20-100mg/L时，金属的吸附率随着金属初始浓度的增加而降低，金属初始浓度由40mg/L增至60mg/L时，其金属吸附率下降程度最大。
实施例3
准确移取40mL，20mg/L的Cd(II)溶液于250mL的锥形瓶中，用0.1mol/L的盐酸或0.1mol/L氢氧化钠溶液调节pH值(2.0、4.0、6.0、7.0和8.0)，称量0.100g实施例1得到的高锰酸钾改性玉米衣生物质吸附剂加入锥形瓶中，摇晃锥形瓶使所有玉米衣叶片浸润镉溶液，将锥形瓶用塑料薄膜封口，减少溶液水分的蒸发，然后放置在恒温振荡器中，于25℃、120rmp条件下振荡吸附3h，取出锥形瓶，用网眼为2mm的网过滤出玉米衣，将滤液用0.2％硝酸稀释三倍，再用注射器及0.45μm的醋酸纤维滤膜过滤，利用火焰原子吸收分光光度计测定滤液中Cd(II)浓度。其吸附结果如表2所示：
表2：高锰酸钾改性玉米衣吸附剂在不同pH条件下对Cd(II)的去除效果
由表2可知，pH在6.0-8.0之间时，吸附率均在80％以上，pH低于6.0时，其吸附率大幅度下降。总体上，吸附率随着pH值的上升而逐渐增大。
实施例4
准确移取40mL，20mg/L的Cd(II)溶液于250mL的锥形瓶中，用0.1mol/L的盐酸或0.1mol/L氢氧化钠溶液调节pH值为8.0，称量一定量(0.05、0.10、0.15、0.20和0.25g)实施例1得到的高锰酸钾改性玉米衣生物质吸附剂加入锥形瓶中，摇晃锥形瓶使所有玉米衣叶片浸润镉溶液，将锥形瓶用塑料薄膜封口，减少溶液水分的蒸发，然后放置在恒温振荡器中，于25℃、120rmp条件下振荡吸附3h，取出锥形瓶，用网眼为2mm的网过滤出玉米衣，将滤液用0.2％硝酸稀释三倍，再用注射器及0.45μm的醋酸纤维滤膜过滤，利用火焰原子吸收分光光度计测定滤液中Cd(II)浓度。其吸附结果如表3所示：
Cd(II)的吸附量按照以下公式计算(下同)：
上式中，C0为吸附前废水中Cd(II)浓度(mg/L)，C为吸附一定时间后废水中剩余的Cd(II)浓度(mg/L)，V为参与吸附的废水体积(L)，m为吸附剂量(g)。
表3：高锰酸钾改性玉米衣吸附剂在不同添加量的条件下对Cd(II)的去除效果
由表3可知，吸附量随着吸附剂量的增加先增大后减小，在吸附剂量为0.100g时，吸附量达到最大，为6.60mg/g。
实施例5
分别准确移取40mL，20、40、60mg/L的Cd(II)溶液于250mL的锥形瓶中，用0.1mol/L的盐酸或0.1mol/L氢氧化钠调节pH值为8.0，称量0.100g实施例1得到的高锰酸钾改性玉米衣生物质吸附剂加入锥形瓶中，摇晃锥形瓶使所有玉米衣叶片浸润镉溶液，将锥形瓶用塑料薄膜封口，减少溶液水分的蒸发，然后放置在恒温振荡器中，于25℃、120rmp条件下振荡吸附一定时间(5、10、15、20、25、40、60、90、120、150、180min)，取出锥形瓶，用网眼为2mm的网过滤出玉米衣，将滤液用0.2％硝酸稀释十倍，再用注射器及0.45μm的醋酸纤维滤膜过滤，利用火焰原子吸收分光光度计测定滤液中Cd(II)浓度。其吸附结果如表4所示：
表4：高锰酸钾改性玉米衣吸附剂在不同吸附时间的条件下对Cd(II)的去除效果
由表4可知，吸附在前30min内进行的非常迅速，吸附量随吸附时间的增加而快速增大，1h后吸附量变化程度不大。吸附时间在1～2h时，吸附已基本完成。
实施例6
实施例1所述高锰酸钾改性玉米衣吸附剂经研磨、过200目标准筛制得粉末，用傅立叶红外光谱仪采用KBr压片法测量，结果如图1所示。
在3373.73cm-1处的峰宽且强，来自于多聚体中分子间氢键O-H伸缩振动；2920cm-1左右的峰来自于C-H伸缩振动；在1420cm-1左右的峰强度较低，来自于C-H弯曲振动；1270-1230cm-1和1050-1000cm-1处的峰来自于芳香醚的两个C-O的伸缩振动；720-650cm-1左右的峰宽、强度较低，来自于醇羟基面外弯曲振动；在1640-1560cm-1处的峰中等强度，来自于氨基的N-H面内弯曲振动，900cm-1处强度较低的峰来自氨基的N-H面外弯曲振动。
将实施例2中在100mg/L镉溶液中振荡吸附并用网眼为2mm的网过滤出的高锰酸钾改性玉米衣生物质吸附剂进行干燥、研磨、过200目标准筛制得粉末，用傅立叶红外光谱仪采用KBr压片法测量，结果如图2所示。
经过对比高锰酸钾改性玉米衣吸附前后的红外图发现：吸附后玉米衣的红外谱图中1700-700cm-1阶段的峰的强度发生了不同的变化，如1593、1376.88、1511.78cm-1处的峰消失，而1636.81、876.79、712.81cm-1等处的峰出现，且2921.91、1425.14、1256.51、1040.19cm-1处的峰强度有所增加；表示吸附过程中氨基N-H参与了吸附反应，而C-H及芳香醚成分含量有一定程度的增加。

Claims (10)

1.一种生物质吸附剂，其特征在于，其制备方法包括：
步骤1：将玉米衣洗涤以去除表面的泥土和杂质，用水浸泡去除可溶物，干燥后，用剪刀将玉米衣剪碎，装袋备用；
步骤2：将步骤1所得的玉米衣浸泡在改性剂高锰酸钾溶液中，置于75-85℃的恒温箱内，静置55-65min，过滤，洗涤，烘干，得到高锰酸钾改性玉米衣，作为生物质吸附剂。
2.如权利要求1所述的生物质吸附剂，其特征在于，所述的步骤1中的洗涤为用自来水洗涤3-5次。
3.如权利要求1所述的生物质吸附剂，其特征在于，所述的步骤1中的浸泡为用蒸馏水浸泡25-35min。
4.如权利要求1所述的生物质吸附剂，其特征在于，所述的步骤1中的干燥为采用鼓风干燥箱在50-55℃下干燥3-4h。
5.如权利要求1所述的生物质吸附剂，其特征在于，所述的步骤2中的改性剂高锰酸钾溶液的浓度为0.9-1.2g/L。
6.如权利要求1所述的生物质吸附剂，其特征在于，所述的步骤2中的洗涤为用蒸馏水冲洗玉米衣直至洗涤水为无色。
7.如权利要求1所述的生物质吸附剂，其特征在于，所述的步骤2中的烘干为用鼓风干燥机在50-55℃下干燥3-4h。
8.应用权利要求1-7中任一项所述的生物质吸附剂处理含镉废水的方法，其特征在于，包括：将待处理的镉的浓度为20-100mg/L的含镉废水的pH值调节为2.0-8.0，加入上述的生物质吸附剂，含镉废水和生物质吸附剂的用量比为40mL：0.05-0.25g，在25-35℃下进行振荡吸附0.08-5h。
9.如权利要求8所述的处理含镉废水的方法，其特征在于，所述的含镉废水的pH值调节为8.0，含镉废水中镉的浓度为20mg/L，含镉废水和生物质吸附剂的用量比为40mL：0.100g。
10.如权利要求8所述的处理含镉废水的方法，其特征在于，所述的振荡为在设置转速为110-130rpm、温度为25℃的恒温振荡器中振荡3h。
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