羽毛蛋白基高吸水樹脂對(duì)氮和磷的吸附性能研究

劉 佳

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 煤炭與化工產(chǎn)業(yè)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

我國(guó)雞羽毛每年產(chǎn)量巨大，但絕大多數(shù)都被廢棄，不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，也會(huì)帶來環(huán)境污染。廢水中的氮磷對(duì)自然環(huán)境的污染已經(jīng)成為全球性問題。作為有毒有害污染物，氮磷的過度排放會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，進(jìn)而破壞水生生態(tài)平衡；氮磷在魚類等水生生物體內(nèi)和農(nóng)作物組織內(nèi)富集累積，會(huì)通過食物鏈的作用對(duì)人類產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的危害和影響。因此，含氮磷廢水的治理是亟待解決的重要環(huán)境問題?；陔u毛合成的高吸水性樹脂含有大量的功能團(tuán)，能有效地吸附廢水中的氮磷元素，這使得我們有機(jī)會(huì)“變廢為寶”，在對(duì)廢棄雞毛進(jìn)行充分利用的同時(shí)，也為環(huán)境治理提供新的策略。但截至目前，有關(guān)基于雞毛合成的高吸水性樹脂吸附性能影響因素的研究仍處于起步階段，制約了其在廢水處理領(lǐng)域和農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。

本次研究將羽毛蛋白加入丙烯酸的聚合體系，應(yīng)用于高吸水性樹脂的制備，合成了一種羽毛蛋白基聚丙烯酸鉀/聚乙烯醇半互穿網(wǎng)絡(luò)的高吸水樹脂(CFP-g-PKA/PVA semi-IPNs SAR; SAR)，并系統(tǒng)測(cè)試了溶液pH值、溶液中氮磷元素濃度和Na+，Mg2+，Ca2+和Al3+等離子的強(qiáng)度，以及時(shí)間對(duì)SAR吸附廢水中氮磷元素性能的影響，以期為更好地促進(jìn)高吸水性樹脂在廢水處理領(lǐng)域和農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用提供幫助。

1 研究材料及方法

1.1 研究材料

本次研究中所涉及材料如表1所示，其中SAR的具體制作過程如下：將雞毛進(jìn)行清洗、破碎和烘干，得到羽毛蛋白提取液，并加入過硫酸鉀溶液、硝酸鈰銨溶液、亞硫酸鈉溶液、丙烯酸溶液(中和度75%)、聚乙烯醇溶液以及N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶液，發(fā)生接枝共聚反應(yīng)得到SAR。

表1 研究材料

1.2 研究方法

本次研究使用原子吸收分光光度計(jì)(TAS-990)來測(cè)定溶液和廢水中的氮磷元素含量。

2 研究結(jié)果及討論

CFP-g-PKA/PVA semi-IPNs SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附實(shí)驗(yàn)在SHZ-82A恒溫水浴振蕩器中進(jìn)行，轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/min。吸附前后溶液中NH4+和PO43-的濃度用原子分光光度計(jì)分別在420 nm和700 nm下進(jìn)行測(cè)定。為了考察pH值對(duì)吸附效果的影響，配制了pH值為2.0到12.0的吸附劑溶液。在初始濃度為100 mg/L的不同pH值的吸附劑溶液中加入0.05g的SAR，在25℃水浴條件下振蕩達(dá)到吸附平衡，以此來研究pH值對(duì)吸附效果的影響。等溫吸附試驗(yàn)在10，25和40℃下進(jìn)行，NH4Cl和KH2PO4的初始濃度在50～300 mg/L之間。將分別在100 mg/L NH4Cl和KH2PO4溶液中吸附飽和的SAR浸泡在50 ml 0.1 mol/L的NaOH溶液中5 h，使其解吸附，然后用去離子水洗滌3遍。再生的SAR再一次分別吸附NH4+和PO43-，這樣獲得二次吸附量。將該過程重復(fù)4次來評(píng)價(jià)SAR的重復(fù)利用性。所有的實(shí)驗(yàn)都重復(fù)三次，結(jié)果取平均值。SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附量通過以下公式確定：

(1)

式中：C0是吸附前溶液中NH4+或PO43-的濃度，mg/L；Ct是吸附后溶液中NH4+或PO43-的濃度，mg/L；V是溶液體積，ml；m是CFP-g-PKA/PVA semi-IPNs SAR的質(zhì)量，g；q是吸附容量，mg/g。

2.1 溶液pH對(duì)吸附性能的影響

溶液的pH是影響高吸水性樹脂對(duì)無機(jī)離子的吸附性能的是一個(gè)非常重要的因素。本文研究了在2.0到12.0的范圍內(nèi)不同pH值對(duì)NH4+和PO43-吸附性能的影響。如圖1所示，隨著pH值從2.0增加到6.0，SAR對(duì)NH4+和PO43-吸附量均增加，在pH為6.0～8.0范圍內(nèi)大致保持不變，進(jìn)一步增加pH值將會(huì)阻礙SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附。溶液的pH值會(huì)通過影響網(wǎng)絡(luò)聚合物中-COOH和-COO-基團(tuán)的數(shù)量來改變SAR的性質(zhì)，進(jìn)而影響其吸附性能[1]。當(dāng)pH值較低時(shí)，CFP， PKA和PVA中主要的吸附基團(tuán)，如-COOH和-OH，很容易被質(zhì)子化，羧基以-COOH而非-COO-的形式存在，減少了NH4+和SAR之間的靜電作用，H+將與NH4+發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，不利于NH4+吸附到SAR上，進(jìn)而導(dǎo)致吸附能力下降。當(dāng)pH值較低時(shí)，PO43-以磷酸的形式存在于溶液中，此時(shí)，高吸水性樹脂網(wǎng)絡(luò)斥力小，溶脹不充分，吸水樹脂內(nèi)部的活性基團(tuán)不能完全暴露，導(dǎo)致活性基團(tuán)不能與PO43-離子充分接觸，因此不利于吸附[2]。隨著pH值增加，SAR已被質(zhì)子化的官能團(tuán)發(fā)生去質(zhì)子化作用，更多的-COOH轉(zhuǎn)化為-COO-，增強(qiáng)了NH4+離子和SAR之間的靜電作用，吸附量增加。同時(shí)，高吸水性樹脂網(wǎng)絡(luò)斥力增加，溶脹更加充分使得樹脂內(nèi)部的活性基團(tuán)與PO43-離子充分接觸，因此利于PO43-的吸附。但是當(dāng)溶液pH值過大時(shí)，NH4+會(huì)被羥基離子中和，使其顯電中性，增加溶液的離子強(qiáng)度和NH3的釋放，不利于NH4+吸附到SAR上。在溶液呈強(qiáng)堿性的條件下，PO43-與-OH的競(jìng)爭(zhēng)吸附增強(qiáng)，導(dǎo)致SAR對(duì)PO43-的吸附能力下降[3]。

圖1 溶液pH值對(duì)吸附性能的影響

2.2 濃度和溫度對(duì)吸附性能的影響

從圖2可知，在25℃下，溶液中NH4+和PO43-的初始濃度對(duì)NH4+和PO43-在SAR上的吸附量有顯著的影響。隨著NH4+和PO43-初始濃度的從25 mg/L增加到250 mg/L，SAR對(duì)這兩種吸附質(zhì)的吸附量增加，對(duì)NH4+的最大吸附量為272.5 mg/g，對(duì)PO43-的最大吸附量為297.8 mg/g。這是因?yàn)槌跏紳舛葹榭朔﨨H4+和PO43-在液相和固相之間的傳質(zhì)作用提供了動(dòng)力[4]，這種動(dòng)力會(huì)隨著溶液中離子初始濃度的增加而增加，因此SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附性能提高。

圖2 初始濃度對(duì)NH4+和PO43-在SAR上的吸附量的影響

本文研究了在10℃，25℃，40℃條件下SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附，并用以下幾類吸附等溫線公式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合：

(2)

(3)

Tempkin 吸附等溫線：qe=AlnK3Ce

(4)

式中：qe為NH4+或PO43-在高吸水性樹脂上的的平衡吸附量(mg/g)，Ce為平衡吸附濃度(mg/L)；qm為最大吸附量(mg/g)；其他參數(shù)主要為各個(gè)吸附等溫線的吸附常數(shù)。擬合模型和相關(guān)系數(shù)如表2所示。

表2 不同溫度下各擬合模型的吸附常數(shù)和相關(guān)系數(shù)

Langmuir模型假設(shè)吸附劑固體對(duì)吸附質(zhì)的吸附是單分子層吸附，吸附劑固體表面上的吸附位點(diǎn)分布均勻，單層吸附發(fā)生在有限的確定的位點(diǎn)上，吸附質(zhì)之間沒有相互作用。Freundlich模型通常用來描述非均相吸附體系，在吸附劑固體表面不均勻的情況下，表面覆蓋度決定交換吸附平衡常數(shù)。Tempkin模型假設(shè)吸附層上的所有分子的吸附熱(溫度函數(shù))呈線性而非對(duì)數(shù)下降，同時(shí)也考慮了吸附劑與吸附質(zhì)的相互作用[5]。SAR對(duì)NH4+的吸附量比PO43-低，但兩者有相似的變化趨勢(shì)。SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附性能與溫度相關(guān)，隨著溫度從10℃升高到40℃，吸附量降低，表明SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附是一個(gè)放熱的過程。這是因?yàn)闇囟壬呒铀倭薔H4+和PO43-離子的遷移，使SAR的吸水膨脹受到影響，導(dǎo)致SAR的吸附性能下降[6]。由相關(guān)系數(shù)(R2>0.99)可得Freundlich模型相對(duì)于其他吸附等溫線模型能更好地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，也表明SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附均是一個(gè)多分子層的多相吸附過程。Freundlich模型中的1/n常數(shù)表示交換強(qiáng)度或表面的非均勻型，該數(shù)值一般介于0到1之間。在本研究中，吸附過程中1/n的數(shù)值均小于1，這說明吸附過程吸附強(qiáng)度高并且是一個(gè)向著有利方向進(jìn)行的過程。此外，隨著溫度的升高，KF值減小表明SAR對(duì)NH4+和PO43-的親和力降低，也進(jìn)一步驗(yàn)證了該過程的放熱性。

2.3 離子強(qiáng)度對(duì)吸附性能的影響

現(xiàn)實(shí)情況中，廢水中含有很多金屬陽離子，如Na+，Mg2+，Ca2+和Al3+等，這些離子的存在都會(huì)影響SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附。本此研究考察了不同離子(NaCl，MgCl2，CaCl2和AlCl3)和在不同離子強(qiáng)度(5～25 mmol/L)下CFP-g-PKA/PVA semi-IPNs SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附性能的影響，結(jié)果如表3。由表可得在相同的條件下，SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附量有相似的變化趨勢(shì)。在四種鹽溶液中，NH4+和PO43-的吸附量均下降，這表明金屬陽離子和Cl-會(huì)通過競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)來干擾NH4+和PO43-的吸附[7]。

表3 離子強(qiáng)度對(duì)NH4+和PO43-在SAR上吸附的影響

在相同的濃度下，金屬離子對(duì)NH4+和PO43-去除效果的影響依次為：Al3+>Ca2+>Mg2+>Na+。濃度較低時(shí)(<5 mmol/L)，SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附量均略有降低。然而，當(dāng)金屬離子的濃度升高到10 mmol/L，吸附量顯著減少，在CaCl2和AlCl3溶液中這種現(xiàn)象更為明顯。由于鹽離子會(huì)對(duì)SAR表面的異性電荷和NH4+或PO43-之間的靜電作用產(chǎn)生屏蔽效，金屬陽離子會(huì)與NH4+和PO43-競(jìng)爭(zhēng)SAR表面的吸附位點(diǎn)，導(dǎo)致NH4+和PO43-的吸附量隨著鹽溶液濃度的增加而降低。相同濃度下，Na+所帶的正電荷少，其對(duì)吸附產(chǎn)生的抑制作用比多價(jià)的Mg2+，Ca2+和Al3+小，因此在NaCl溶液中，NH4+和PO43-的吸附效果較好。此外，由于過溶脹平衡效應(yīng)[8]，使Ca2+，Al3+與SAR中羧基反應(yīng)過程中交聯(lián)程度增強(qiáng)，限制了聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展以及NH4+和PO43-離子的吸附，所以在CaCl2和AlCl3溶液中，NH4+和PO43-的吸附量低。

2.4 時(shí)間對(duì)吸附性能的影響

SAR對(duì)NH4+的吸附在前30 min增加很快，在4 h內(nèi)吸附達(dá)到平衡。這種快速的吸附過程是因?yàn)樽鳛橐环N吸附劑，semi-IPNs SAR由很多自由的聚合物鏈組成，它有很強(qiáng)的親水性能。當(dāng)SAR浸泡于NH4+離子溶液中，水分子迅速滲透到聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，SAR吸水膨脹，在樹脂-水界面的NH4+會(huì)擴(kuò)散到SAR中。由于存在大量帶負(fù)電荷的-COO-基團(tuán)，從外部溶液中進(jìn)入到SAR內(nèi)部的NH4+會(huì)被聚合物網(wǎng)絡(luò)牢牢吸附，從而使吸附過程在幾分鐘內(nèi)達(dá)到平衡[9]。SAR對(duì)PO43-的吸附過程也很快，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡，PO43-主要隨著semi-IPNs SAR的吸水過程被吸附。

為了研究吸附過程中如質(zhì)量傳遞，擴(kuò)散控制和化學(xué)反應(yīng)等的控制機(jī)理，我們采用多種動(dòng)力學(xué)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合。包括偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和粒子內(nèi)部擴(kuò)散模型。模型如下所示：

(5)

(6)

Qt=kit0.5+C

(7)

式中：Q1(2)為吸附平衡時(shí)的吸附量，mg/g；Qt為t時(shí)的吸附量，mg/g；k1，k2和ki分別為三種模型的速率常數(shù)。在描述ln(Q1-Qt)-t的圖中，由斜率和截距可分別得到k1和Q1。在描述Qt-t0.5的圖中，由斜率和截距可分別得到ki和C。所有數(shù)據(jù)列在表4中。

如表4所示，偽二級(jí)方程中的R2大于其他模型中的相關(guān)系數(shù)R2，并且通過偽二級(jí)方程計(jì)算出的平衡吸附量Q2更符合實(shí)驗(yàn)所得的具體數(shù)值。因此NH4+和PO43-離子在SAR上的吸附過程符合偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，可以用偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來描述NH4+和PO43-的動(dòng)力學(xué)吸附過程。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合數(shù)據(jù)的一致性表明吸附劑和吸附質(zhì)之間通過共享或交換電子產(chǎn)生的原子介力對(duì)吸附起著重要作用[10]。

對(duì)NH4+和PO43-吸附的內(nèi)部粒子擴(kuò)散曲線如圖3所示。由圖可知NH4+和PO43-的吸附動(dòng)力學(xué)曲線有相同的變化趨勢(shì)，可分為三個(gè)吸附階段并且呈現(xiàn)多元線性回歸。第一階段(1～10 min)是NH4+和PO43-由外部溶液和邊界層擴(kuò)散到SAR外表面，該階段斜率大，吸附速度快，主要是吸附劑與吸附質(zhì)之間的范德華力造成的。第二階段(10～30 min)是粒子內(nèi)部擴(kuò)散，吸附速率減慢，吸附劑上活性位點(diǎn)被充分利用。第三階段(30～240 min)，斜率趨近于零，吸附達(dá)到平衡。在內(nèi)部粒子擴(kuò)散模型中，擴(kuò)散公式中的qt與t1/2的數(shù)值成線性關(guān)系那么表明該吸附過程中包含內(nèi)部粒子擴(kuò)散過程。從表4可以看出模型中的常數(shù)Ci不為零，且線性相關(guān)直線不經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)。這表明擴(kuò)散階段不是速率控制階段。該吸附過程是一個(gè)由表面吸附和內(nèi)部離子擴(kuò)散過程組成的復(fù)雜過程。

表4 NH4+和PO43-的吸附動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)

圖3 不同濃度下NH4+ (a)和PO43-(b)在SAR上吸附分子內(nèi)擴(kuò)散擬合模型

2.5 吸附熱力學(xué)分析

吸附熱力學(xué)參數(shù)，如自由能變(ΔG0),焓變(ΔH0)和熵變(ΔS0)都與吸附過程相關(guān)，可通過熱力學(xué)平衡常數(shù)(KS)由以下方程式得出：

ΔG0=-RTlnKS

(8)

(9)

式中：R為理想氣體常數(shù)( 8.314 J/K mol)；T為熱力學(xué)溫度，K；KS可由描述lnQe/Ce -Ce的圖得出，(L/g)。所得數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 NH4+和PO43-在SAR上吸附的熱力學(xué)參數(shù)

ΔG0和ΔS0的值可分別由lnKS-1/T圖中的斜率和截距計(jì)算得出。由表5可知ΔG0為負(fù)值，表明SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附過程是自發(fā)進(jìn)行的物理吸附。隨著溫度從293 K增加到313 K，NH4+和PO43-的吸附過程的ΔG0值分別從24.11 KJ/mol 減小到23.80 KJ/mol，從24.79 KJ/mol減小到24.39 KJ/mol，表明高溫下會(huì)產(chǎn)生更大的能量屏障不利于吸附過程的進(jìn)行。和NH4+的吸附相比，PO43-吸附的ΔG0值較低，說明SAR對(duì)PO43-的吸附是個(gè)更加自發(fā)的過程。吸附過程的焓變?chǔ)0均為負(fù)值(-28.34和-30.46 KJ/mol)，這表明SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附都是放熱過程。熵變?chǔ)0用來描述反應(yīng)體系的混亂程度，ΔS0值越小，有序度越高。吸附過程的熵變?chǔ)0為負(fù)值，說明通過SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附過程使反應(yīng)體系固-液界面的有序度得到了提高[11]。

2.6 解吸附和重復(fù)利用性

解吸附是高吸水性樹脂吸附機(jī)理研究中的一個(gè)重要過程，對(duì)其再利用意義重大。五次連續(xù)的吸附-解吸附循環(huán)中SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附量的變化如圖4所示。結(jié)果表明，經(jīng)0.1 M NaOH解吸附后，SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附量略有降低，但影響較小，再生的高吸水性樹脂仍能很好的去除NH4+和PO43-，吸附量分別達(dá)144.32 mg/g和164.08 mg/g。這證明可以用NaOH對(duì)semi-IPNs SAR進(jìn)行再生，再生后的SAR對(duì)NH4+和PO43-仍具有很好的吸附性能，可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

圖4 SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附的重復(fù)利用性

3 結(jié)語

本次研究將SAR用于吸附溶液中的NH4+和PO43-離子。通過一系列實(shí)驗(yàn)考察了溶液pH值和溫度、溶液中氮磷元素濃度和Na+，Mg2+，Ca2+和Al3+等離子的強(qiáng)度，以及時(shí)間對(duì)SAR吸附廢水中氮和磷元素性能的影響。結(jié)果表明在pH值為4.0～9.0時(shí)，SAR對(duì)NH4+和PO43-均有較好的吸附效果。Freundlic吸附等溫模型能夠很好地對(duì)吸附數(shù)據(jù)擬合，表明SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附是不均勻的多層吸附。吸附動(dòng)力學(xué)過程更符合偽二級(jí)方程，說明吸附過程主要依靠原子價(jià)力的作用。在不同的鹽溶液中，SAR對(duì)NH4+和PO43-的吸附量大小依次為：NaCl>MgCl2>CaCl2>AlCl3。此外，可以利用NaOH對(duì)SAR進(jìn)行再生，再生后的SAR對(duì)NH4+和PO43-仍具有很好的吸附性能，可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用?？傮w而言，SAR可以作為一種有效的吸附劑用于廢水中NH4+和PO43-的去除，在降了氮和磷對(duì)環(huán)境污染的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了廢物的合理利用。