磺化改性腐植酸的制備及其在含鋅廢水處理中的應(yīng)用

鄭光杰，張洋，陳燕金，施優(yōu)媛，周璟，呂林峰，李加友

(嘉興學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

環(huán)境中的重金屬很難通過化學(xué)或生物方法去除，一旦過量積累會構(gòu)成環(huán)境災(zāi)害[1]，對于一些重金屬元素而言，即使痕量，也會致癌或致突變[2]。隨著電鍍、冶金、采礦、制藥等行業(yè)的快速發(fā)展，大量含鋅廢水被排放到環(huán)境中，污染了河流、土壤，還通過食物鏈富集進入生物體，一旦在生物體內(nèi)過量蓄積，嚴(yán)重影響生物體正常的生理生化功能。因此，研究含鋅廢水處理具有積極的現(xiàn)實意義[3]。在眾多含鋅廢水處理方法中，生物絮凝法以其高效、無毒、無二次污染的優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用[4]。腐植酸是一種帶負(fù)電且陽離子交換量高的生物絮凝劑，其分子結(jié)構(gòu)中的羧基、酚羥基、羰基和醌基等基團[5-6]可與金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)、離子交換和表面吸附作用，因此常被用于去除污水中的重金屬離子。但單純用腐植酸作為金屬離子絮凝劑所形成的沉淀物不易與水分離，且沉降速度過慢[7-9]。本實驗對腐植酸進行磺化改性處理[10]，并就其對模擬廢水中Zn2+的去除性能進行研究。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用腐植酸系實驗室自制。模擬廢水儲備液系100 mg·L-1硫酸鋅溶液。氯磺酸等實驗試劑均為市售分析純。

2000型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)，美國戴安(Dionex)公司； NEXUS470型紅外光譜儀(FTIR)，美國熱電尼高力(Thermo Nicolet)公司。

1.2 腐植酸的磺化改性

在帶有回流冷凝及磁力攪拌裝置的250 mL三頸燒瓶中加入腐植酸1.8 g、N, N-二甲基甲酰胺180 mL、三乙胺9 mL，室溫攪拌下滴加3.71 mL氯磺酸，滴畢，45～50 ℃攪拌反應(yīng)3 h。反應(yīng)結(jié)束后，減壓蒸除溶劑，得到磺化改性腐植酸粗品。

1.3 實驗方法

在250 mL錐形瓶中加入100 mL含100 mg·L-1Zn2+的模擬廢水進行實驗，實驗分為2組：一組稱取磺化改性腐植酸，另一組稱取腐植酸，分別研究不同腐植酸或磺化改性腐植酸濃度(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 g·L-1)、不同pH值(2、3、4、5)、不同沉降時間(12、18、24 h)對模擬廢水中Zn2+去除的影響。具體地：向模擬廢水中加入腐植酸或磺化改性腐植酸后，調(diào)節(jié)pH，150 r·min-1快速振蕩5 min，然后30 r·min-1振蕩30 min，自然沉降不同時間后進行消化，取消化后的上清液用ICP測量其中的Zn2+濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 磺化改性腐植酸的結(jié)構(gòu)表征

對腐植酸及磺化改性的腐植酸進行紅外光譜測定，從圖1可以看出，磺化改性的腐植酸樣品在1 190 cm-1處出現(xiàn)明顯吸收峰，說明成功引入了磺酸基。

圖1 腐殖酸和磺化改性腐殖酸的紅外光譜

2.2 不同因素對模擬廢水中Zn2+去除效果的影響

2.2.1 pH值

在保持其他實驗條件相同的情況下(腐植酸或磺化改性腐植酸的加入量為0.2 g·L-1，沉降時間為18 h)，考查不同pH值環(huán)境下腐植酸與磺化改性腐植酸對模擬廢水中Zn2+的去除能力，結(jié)果如圖2所示?；腔男愿菜釋δM廢水中Zn2+的去除效果明顯優(yōu)于腐植酸。隨著pH值增加，腐植酸對Zn2+的去除效果不斷下降。對磺化改性腐植酸而言，當(dāng)pH值3時，其對Zn2+的去除效果最佳。

圖2 pH值對模擬廢水中Zn2+去除率的影響

2.2.2 腐植酸或磺化改性腐植酸濃度

在保持其他實驗條件相同的情況下(pH值為3，沉降時間為18 h)，考查不同腐植酸或磺化改性腐植酸濃度對模擬廢水中Zn2+去除的影響，結(jié)果如圖3所示?；腔男愿菜釋δM廢水中Zn2+的去除效果在各實驗條件下均優(yōu)于腐植酸。隨著腐植酸或磺化改性腐植酸濃度增加，Zn2+去除率先逐漸增加后趨于穩(wěn)定。當(dāng)腐植酸濃度為0.6 g·L-1時，Zn2+去除率即趨于穩(wěn)定，此時Zn2+去除率達到82.79%；當(dāng)磺化改性腐植酸濃度為0.8 g·L-1時，Zn2+去除率最高，達到92.66%。

圖3 腐植酸或磺化改性腐植酸濃度對 模擬廢水中Zn2+去除率的影響

2.2.3 沉降時間

在保持其他實驗條件相同的情況下(pH值為3，腐植酸或磺化改性腐植酸的加入量為0.2 g·L-1)，考查不同沉降時間下腐植酸與磺化改性腐植酸對模擬廢水中Zn2+的去除能力，結(jié)果如圖4所示。各實驗條件下，磺化改性腐植酸對模擬廢水中Zn2+的去除效果明顯優(yōu)于腐植酸。二者對模擬廢水中Zn2+的去除率都隨沉降時間延長而增加，但當(dāng)沉降時間超過18 h后，Zn2+去除率趨于穩(wěn)定，因此，最佳沉降時間宜選擇18 h。

圖4 沉降時間對模擬廢水中Zn2+去除率的影響

3 小結(jié)

以氯磺酸為磺化試劑，對腐植酸進行磺化改性處理。結(jié)果顯示，磺化改性明顯提高了腐植酸對模擬廢水中Zn2+的去除能力。在本實驗條件下，磺化改性腐植酸去除模擬廢水中Zn2+的最佳工藝條件為：pH值3.0，磺化改性腐植酸用量0.8 g·L-1，沉降時間18 h，在此條件下，對100 mL含100 mg·L-1Zn2+模擬廢水中Zn2+的去除率可達92.66%。