CN111672481A - 一种废水中亚甲基蓝染料和铝离子的生物基吸附剂及应用 - Google Patents

一种废水中亚甲基蓝染料和铝离子的生物基吸附剂及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种能除去废水中亚甲基蓝染料和铝离子的生物基吸附剂，制备方法的步骤如下：将稻壳进行汽暴和氢氧化钠联合改性处理，制得的生物基吸附剂能够实现对废水中亚甲基蓝染料和铝离子的吸附，经联合改性后的稻壳粉对亚甲基蓝染料和铝离子的吸附率比其他几种吸附剂都要高，并且其能快速吸附这两种废水中的污染物，能更好的保证日常用水的安全性，也能提高环境保护的效率，具有重要意义。同时，农业废弃物基生物吸附剂是一种价格低廉、具有明显的环境友好性和生物相容性的新型吸附剂，因此，利用这类生物吸附剂进行除亚甲基蓝以及铝离子是一个很好的选择，以实现水体的去污染和农业废弃物的环保回收。

Description

一种废水中亚甲基蓝染料和铝离子的生物基吸附剂及应用
技术领域
本发明属于食品技术领域，涉及一种生物吸附剂及其制备方法，尤其是一种能除去废水中亚甲基蓝染料和铝离子的生物基吸附剂及应用，该生物吸附剂能够高效去除工业废水中的亚甲基蓝染料和铝离子。
背景技术
由于工业化的快速发展和人口的快速增长，水污染已经成为全球关注的问题。目前，废水中有机染料和重金属离子的存在已成为科学界关注的主要问题。亚甲基蓝(MB)主要用于生化染色和生物医药。适量亚甲蓝可解毒轻度一氧化碳中毒，大剂量亚甲蓝可引起精神问题。铝广泛存在于自然界，广泛应用于日常生活中，如临床抗胃酸药物、铝制炊具、食品添加剂、水处理剂等。大量研究表明，铝是一种对人体有害的元素。如果铝不能及时排出，就会残留在人体组织中，在体内积累，产生慢性毒性。
近年来，许多方法被用于处理工业废水。生物吸附法是一种经济有效的去除水中有机染料和金属离子的方法。农业废弃物基生物吸附剂是一种新型的吸附剂，价格低廉，具有明显的环境友好性和生物相容性。虽然农业副产品可以用来去除水中的污染物，但它们结合MB和Al(III)的能力需要加强。在这种情况下，表面功能化技术被认为可以增强生物吸附剂对污染物的亲和力，从而提高其吸附性能。
中国是世界上最大的水稻生产国，每年收获后都会有数百万吨稻壳被丢弃或焚烧，导致环境问题和资源浪费。然而，稻壳中含有大量纤维素，纤维素中含有羟基官能团。因此，利用这类生物吸附剂进行除MB以及Al是一个很好的选择，以实现水体的去污染和农业废弃物的环保回收。
本发明研究了通过改性得到改性稻壳粉的方法与条件，获得的生物吸附剂能够高效去除工业废水中的亚甲基蓝染料和铝离子，从而能够实现废物利用，防止生物废弃物造成环境问题和资源浪费。
通过检索，尚未发现与本发明专利申请相关的专利公开文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种能除去废水中亚甲基蓝染料和铝离子的生物基吸附剂及应用，该生物吸附剂能够高效去除工业废水中的亚甲基蓝染料和铝离子，能够广泛地应用于工业废水处理等环境保护工作中。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种能除去废水中亚甲基蓝染料和铝离子的生物基吸附剂，制备方法的步骤如下：
(1)将稻壳与水混合浸泡，浸泡后过滤，过滤后进行汽爆，随后进行烘干处理，将烘干后的稻壳研磨成稻壳粉，得到汽爆改性稻壳粉；
(2)将汽爆改性稻壳粉用NaOH进行化学改性，在经过烘干处理得到联合改性稻壳粉，即为生物基吸附剂。
其中，步骤1中，汽爆改性的方法为，将准备好的稻壳与自来水以料液比1∶0.5-2浸泡0.5-2h，过滤后放入汽爆罐内进行汽爆.
汽爆的压力0.4-1.0MPa，汽爆时间5-15min。
汽爆结束后将所得稻壳在70-90℃下烘干3-10h即可。然后再将烘干后的稻壳放入摇摆式粉碎机研磨成稻壳粉，所得材料即为汽爆改性稻壳粉。
汽爆时稻壳的用量为汽爆罐容积(5L)二分之一量的，
步骤2中，由步骤(1)所得到的原始稻壳粉和由步骤(2)所得到的汽爆改性稻壳粉用8％NaOH进行化学改性。
首先配置好8％NaOH溶液，以料液比1∶20，将汽爆改性稻壳粉加入200mL 8％NaOH溶液中，在50℃恒温下搅拌50min。
随后，用蒸馏水清洗至中性，再经过滤，最后在80℃，120min条件下烘干，所得材料即为联合改性稻壳粉。
本发明取得的优点和积极效果为：
1、本发明创造性的以农业废弃物稻壳的吸附原料，实现了废物的有效利用。
2、为了提高稻壳的吸附性能，对稻壳进行了改性，在对其进行改性之后，吸附剂的吸附能力得到明显提升，以200mg/L为亚甲基蓝模拟废液的初始浓度，随着时间从5min到50min，8％NaOH改性稻壳粉对亚甲基蓝的去除率从75.60％提高到91.46％，联合改性稻壳粉对亚甲基蓝的去除率从91.41％提高到99.43％，且在20min时就能达到吸附饱和状态，这表明原始稻壳粉在联合改性后，不仅吸附率得到明显提升，而且吸附速率也大大加快，明显由于现有技术的改性方法和单一改性方法，在很短的时间内就能有效去除工业废水中的有机染料等污染物。
3、本发明稻壳基生物吸附剂是对原始稻壳粉进行物理、化学以及联合改性所得到的，在对其进行改性之后，吸附剂的吸附能力得到明显提升，以10μg/mL为三氯化铝溶液的初始浓度，随着时间从5min到50min，8％NaOH改性稻壳粉(SHRH)对Al(III)的去除率从57.41％提高到88.42％，联合改性稻壳粉(CRH)对Al(III)的去除率从87.77％提高到99.04％，且在10min时就能达到吸附饱和状态，这表明原始稻壳粉在经过改性后，不仅吸附率得到明显提升，而且吸附速率也大大加快，尤其是联合改性稻壳粉，在很短的时间内就能有效去除水中重金属离子等污染物。
4、本发明经过改性的稻壳粉同时具有除去废水中亚甲基蓝染料和铝离子的双重去除作用，取得了预料不到的技术效果。
5、本发明稻壳基生物吸附剂的原材料来源广泛且廉价，在实用的基础上还能大大减少农业副产品的浪费。
6、本发明方法改性方法、过程简单，适宜大规模生产，同时处理效果明显。
附图说明
图1为本发明中不同吸附时间对不同吸附剂亚甲基蓝去除率的影响图；
图2为本发明中不同吸附剂的使用量对不同吸附剂亚甲基蓝去除率的影响图；
图3为本发明中不同亚甲基蓝初始浓度对不同吸附剂亚甲基蓝去除率的影响图；
图4为本发明中在不同浓度下对亚甲基蓝吸附后的直观图；
图5为本发明中不同吸附时间对不同吸附剂铝离子去除率的影响图；
图6为本发明中不同吸附剂的使用量对不同吸附剂铝离子去除率的影响图；
图7为本发明中不同AlCl3溶液初始浓度对不同吸附剂铝离子去除率的影响图；
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
本发明中所使用的原料，如无特殊说明，均为常规的市售产品；本发明中所使用的方法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法。
实施例1
一种能除去废水中亚甲基蓝染料和铝离子的生物基吸附剂，制备方法的步骤如下：
(1)准备好汽爆罐容积(5L)二分之一量的稻壳，将准备好的稻壳与自来水以料液比1∶1浸泡1h，过滤后放入汽爆罐内进行汽爆，汽爆实验条件为气爆压力1.0MPa，汽爆时间10min，汽爆结束后将所得稻壳在80℃下5h烘干即可。然后再将烘干后的稻壳放入摇摆式粉碎机研磨成稻壳粉，所得材料即为汽爆改性稻壳粉；
(2)将由步骤(2)所得到的汽爆改性稻壳粉用8％NaOH进行化学改性，首先配置好8％NaOH溶液，以料液比1∶20，将汽爆改性稻壳粉加入8％NaOH溶液中，在50℃恒温下搅拌50min，然后将改性完的稻壳粉用蒸馏水清洗至中性，再经过滤得到稻壳粉，最后将稻壳粉在80℃，120min条件下烘干，所得材料称为联合改性稻壳粉；
对比例1
一种能除去废水中亚甲基蓝染料和铝离子的生物基吸附剂，制备方法的步骤如下：
以稻壳为原料，将稻壳用蒸馏水清洗，然后用摇摆式粉碎机将稻壳研磨成稻壳粉，所得材料即为原始稻壳粉；
对比例2
一种能除去废水中亚甲基蓝染料和铝离子的生物基吸附剂，制备方法的步骤如下：
(1)以稻壳为原料，准备好汽爆罐容积(5L)二分之一量的稻壳，将准备好的稻壳与自来水以料液比1∶1浸泡1h，过滤后放入汽爆罐内进行汽爆，汽爆实验条件为气爆压力1.0MPa，汽爆时间10min，汽爆结束后将所得稻壳在80℃下5h烘干即可。然后再将烘干后的稻壳放入摇摆式粉碎机研磨成稻壳粉，所得材料即为汽爆改性稻壳粉；
对比例3
一种能除去废水中亚甲基蓝染料和铝离子的生物基吸附剂，制备方法的步骤如下：
(1)以稻壳为原料，将稻壳用蒸馏水清洗，然后用摇摆式粉碎机将稻壳研磨成稻壳粉，所得材料即为原始稻壳粉；
(2)将由步骤(1)所得到的原始稻壳粉用8％NaOH进行化学改性，首先配置好8％NaOH溶液，以料液比1∶20，将原始稻壳粉加入8％NaOH溶液中，在50℃恒温下搅拌50min，然后将改性完的稻壳粉用蒸馏水清洗至中性，再经过滤得到稻壳粉，最后将这两种稻壳粉在80℃，120min条件下烘干，所得材料称为8％NaOH改性稻壳粉；
对实施例1及对比例1、2、3的生物基吸附剂除去废水中亚甲基蓝染料和铝离子的效果测试。
1、选取的吸附时间为5-50min(5、10、20、30、40、50min)。对不同时间间隔下，联合改性稻壳粉对25mL亚甲基蓝模拟废液的吸附量进行了批量吸附实验，吸附剂用量为0.25g，然后用紫外可见分光光度计在664nm处测出吸附后上清液的吸光度，从而得到吸附后溶液中的亚甲基蓝含量；
2、在0.10-0.30g(0.10、0.15、0.20、0.25、0.30g)范围内研究吸附剂用量。将联合改性稻壳粉添加到盛有25mL初始浓度为200mg/L亚甲基蓝模拟废液的容器中，然后在室温下振荡40min以达到平衡，然后用紫外可见分光光度计在664nm处测出吸附后上清液的吸光度，从而得到吸附后溶液中的亚甲基蓝含量；
3、在100-300mg/L(100、150、200、250和300mg/L)的浓度范围内研究了亚甲基蓝染料的初始浓度对吸附剂吸附率的影响。在每个容器中加入25mL不同浓度的亚甲基蓝模拟废液，加入0.25g吸附剂，在室温下振荡40min达到平衡，然后用紫外可见分光光度计在664nm处测出吸附后上清液的吸光度，从而得到吸附后溶液中的亚甲基蓝含量；
4、选取的吸附时间为5-50min(5、10、20、30、40、50min)。对不同时间间隔下，联合改性稻壳粉对25mL AlCl3溶液的吸附量进行了批量吸附实验，吸附剂用量为0.20g，然后根据铬天青S比色法(即围标法)得到吸附后溶液中的铝离子含量；
5、在0.05-0.25g(0.05、0.10、0.15、0.20、0.25g)范围内研究吸附剂用量。将联合改性稻壳粉添加到盛有25mL初始浓度为10μg/mL AlCl3溶液的容器中，然后在室温下振荡40min以达到平衡，然后根据铬天青S比色法得到吸附后溶液中的铝离子含量；
6、在5-15μg/mL(5、7.5、10、12.5和15μg/mL)的浓度范围内研究了AlCl3溶液初始浓度对吸附剂吸附率的影响。在每个容器中加入25mL不同浓度的AlCl3溶液，加入联合改性稻壳粉0.20g，在室温下振荡40min达到平衡，然后根据铬天青S比色法得到吸附后溶液中的铝离子含量；
本发明能除去废水中亚甲基蓝染料和铝离子的生物基吸附剂的相关检测结果如下：
1、以200mg/L为初始浓度，考察时间对亚甲基蓝去除率的影响，如图1所示。可见，随着时间从5min到50min，原始稻壳粉(RH)对亚甲基蓝(MB)的去除率从43.29％提高到66.66％，汽爆改性稻壳粉(SRH)对亚甲基蓝的去除率从42.24％提高到64.80％，8％NaOH改性稻壳粉(SHRH)对亚甲基蓝的去除率从75.60％提高到91.46％，联合改性稻壳粉(CRH)对亚甲基蓝的去除率从91.41％提高到99.43％。在吸附剂加入量和亚甲基蓝溶液初始浓度不变的情况下，可以看出联合改性稻壳粉对亚甲基蓝的去除率明显高于其他三种吸附剂，而且去除率随时间而提升。吸附40min后达到饱和状态，吸附率不再提升。结果显示亚甲基蓝吸附效果由高到低排列为：CRH＞SHRH＞RH＞SRH；
2、以200mg/L为初始浓度，考察吸附剂的量对MB去除率的影响，如图2所示。可见，随着吸附剂用量从0.10g增加到0.30g，RH对MB的去除率从39.10％提高到68.87％，SRH对MB的去除率从33.64％提高到60.97％，SHRH对MB的去除率从70.23％提高到92.15％，CRH对MB的去除率从77.56％提高到99.39％。在吸附剂时间和MB溶液初始浓度不变的情况下，可以看出CRH对MB的去除率明显高于其他三种吸附剂，而且去除率随吸附剂加入量的增加而提升。吸附40min后达到饱和状态，吸附率不再提升。结果显示MB吸附效果由高到低排列为：CRH＞SHRH＞RH＞SRH，与1中的结果相符；
3、染料初始浓度对MB去除效果的影响如图3所示。结果表明，随着MB染料初始浓度从100-300mg/L的增加，RH对MB的去除率由77.26％降至48.07％，SRH对MB的去除率由73.98％降至44.72％，SHRH对MB的去除率由95.26％降至86.25％，CRH对MB的去除率由99.39％降至99.16％。在吸附时间和吸附剂用量不变的情况下，CRH对MB的去除率明显高于其它三种吸附剂，且去除率随初始浓度的增加而降低。从图中可以看出不同吸附剂对MB的吸附效果。结果表明，MB的吸附效果由高到低依次为：CRH＞SHRH＞RH＞SRH，与1和2的结果一致；
4、为了更好地描述吸附剂的吸附性能，绘制了不同初始MB浓度下各种吸附剂的直观图，如图4所示。结果表明，MB的吸附效果由高到低依次为：CRH＞SHRH＞RH＞SRH，与上述结果一致。
5、以10μg/mL为初始浓度，考察时间对Al(III)去除率的影响，如图5所示。可见，随着时间从5min到50min，原始稻壳粉(RH)对Al(III)的去除率从62.23％提高到71.15％，汽爆改性稻壳粉(SRH)对Al(III)的去除率从9.00％提高到50.54％，8％NaOH改性稻壳粉(SHRH)对Al(III)的去除率从57.41％提高到88.42％，联合改性稻壳粉(CRH)对Al(III)的去除率从87.77％提高到99.04％。在吸附剂加入量和AlCl3溶液初始浓度不变的情况下，可以看出联合改性稻壳粉对Al(III)的去除率明显高于其他三种吸附剂，而且去除率随时间而提升。吸附40min后达到饱和状态，吸附率不再提升。结果显示Al(III)吸附效果由高到低排列为：CRH＞SHRH＞RH＞SRH；
6、以10μg/mL为初始浓度，考察吸附剂的量对Al(III)去除率的影响，如图6所示。可见，随着吸附剂用量从0.05g增加到0.25g，RH对Al(III)的去除率从14.43％提高到79.64％，SRH对Al(III)的去除率从9.68％提高到53.43％，SHRH对Al(III)的去除率从42.23％提高到75.00％，CRH对Al(III)的去除率从45.84％提高到98.68％。在吸附剂时间和AlCl3溶液初始浓度不变的情况下，可以看出CRH对Al(III)的去除率明显高于其他三种吸附剂。结果显示Al(III)吸附效果由高到低排列为：CRH＞SHRH＞RH＞SRH，与5中的结果相符；
7、AlCl3溶液初始浓度对Al(III)去除效果的影响如图7所示。结果表明，随着AlCl3溶液初始浓度从5-15μg/mL的增加，RH对Al(III)的去除率由48.64％降至46.29％，SRH对Al(III)的去除率由28.76％降至14.03％，SHRH对Al(III)的去除率由88.46％降至79.33％，CRH对Al(III)的去除率由99.45％降至98.30％。在吸附时间和吸附剂用量不变的情况下，CRH对Al(III)的去除率明显高于其它三种吸附剂。从图中可以看出不同吸附剂对Al(III)的吸附效果。结果表明，MB的吸附效果由高到低依次为：CRH＞SHRH＞RH＞SRH，与5和6的结果一致；由此可见，本发明能除去废水中亚甲基蓝染料和铝离子的生物基吸附剂能够应用在工业废水的处理中。

Claims (8)

1.一种能除去废水中亚甲基蓝染料和铝离子的生物基吸附剂，其特征在于：制备方法的步骤如下：
(1)将稻壳与水混合浸泡，浸泡后过滤，过滤后进行汽爆，随后进行烘干处理，将烘干后的稻壳研磨成稻壳粉，得到汽爆改性稻壳粉；
(2)将汽爆改性稻壳粉用NaOH进行化学改性，再经过烘干处理得到联合改性稻壳粉，即为生物基吸附剂。
2.根据权利要求1所述的生物基吸附剂，其特征在于：步骤1中，汽爆改性中，将稻壳与自来水以料液比1∶0.5-2浸泡0.5-2h，过滤后放入汽爆罐内进行汽爆。
3.根据权利要求1-2任一项所述的生物基吸附剂，其特征在于，汽爆的压力0.4-1.0MPa，汽爆时间5-15min。
4.根据权利要求1-3任一项所述的生物基吸附剂，其特征在于，汽爆结束后将所得稻壳在70-90℃下烘干3-10h，然后再将烘干后的稻壳放入摇摆式粉碎机研磨成稻壳粉，所得材料即为汽爆改性稻壳粉。
5.根据权利要求1-4任一项所述的生物基吸附剂，其特征在于，步骤2中，汽爆改性稻壳粉用8％NaOH进行化学改性。
6.根据权利要求5所述的生物基吸附剂，其特征在于，汽爆改性稻壳粉与NaOH溶液以料液比1∶20，在50℃恒温下搅拌50min。
7.根据权利要求1-6任一项所述的生物基吸附剂，其特征在于，NaOH处理后用水清洗至中性，再经过滤，最后在80℃，120min条件下烘干，得到联合改性稻壳粉。
8.权利要求1-7任一项所述的生物基吸附剂在除去废水中亚甲基蓝染料和铝离子中的应用。
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