馬培林, 宋亞婷, 李 旭, 劉志明

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

重金屬Fe3+污染一直是危害生態(tài)環(huán)境和人類公共衛(wèi)生的全球性問題,Fe3+可通過在人體內(nèi)積累而引起人嘔吐、腹瀉和腸道損傷。有效地去除水介質(zhì)中的Fe3+對環(huán)境保護(hù)和人體安全至關(guān)重要[1]。吸附法是目前最有效的重金屬污水處理方法之一[2]。研究制備出有效的吸附材料是去除污水中重金屬離子的關(guān)鍵[3-4]。水凝膠是由單一或多種均聚物(或共聚物)化學(xué)交聯(lián)或物理交聯(lián)形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物材料[5]。因其良好的生物相容性、環(huán)境友好性以及良好的重復(fù)利用性,水凝膠已成為去除廢水中重金屬、除草劑、有機(jī)染料等多種污染物的重要材料[6]。海藻酸鈉(SA)是一種可從褐藻類的海帶中提取的天然高分子物質(zhì),其具有來源廣、價格低等優(yōu)點(diǎn),在處理重金屬水污染領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[7-9]。 因此,本研究將木質(zhì)素磺酸鈉(Lgs)引入到以SA和丙烯酰胺(AAm)為基體的溶液中,通過自由基聚合法制備復(fù)合水凝膠SA/AAm-Lgs。采用靜態(tài)吸附法研究水凝膠對Fe3+的吸附動力學(xué)規(guī)律,并通過固定床工藝對Fe3+進(jìn)行動態(tài)吸附實(shí)驗(yàn),以期為開發(fā)優(yōu)異的Fe3+吸附劑提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料、試劑與儀器

六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O),天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司;丙烯酰胺(AAm)、海藻酸鈉(SA)、木質(zhì)素磺酸鈉(Lgs)、過硫酸鉀(KPS)、N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA),均為市售分析純。

TU-1901紫外可見分光光度計(jì),上海滬粵明科學(xué)儀器有限公司;JSM-7500F掃描電子顯微鏡,日本Hitachi Limited公司;傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)儀,Perkinelmer公司;JB/T5669力學(xué)性能測試儀,北京吉品時代科技有限公司。

1.2 復(fù)合水凝膠SA/AAm-Lgs的制備

將20 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的海藻酸鈉(SA)溶液、 6 g丙烯酰胺(AAm)和適量(0～9 mg)木質(zhì)素磺酸鈉(Lgs)溶解在含有25 mg N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)和75 mg過硫酸鉀(KPS)的燒杯中。經(jīng)超聲波振蕩處理去除溶液中的氣泡后,在50 ℃ 烘箱中加熱2 h分別得到不同Lgs用量(0、 3、 5、 7和9 mg)的復(fù)合水凝膠(SA/AAm-Lgs)。具體合成路線見圖1。

圖1 SA/AAm-Lgs的合成

1.3 SA/AAm-Lgs對Fe3+吸附

1.3.1靜態(tài)吸附 SA/AAm-Lgs對Fe3+的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)操作如下:將0.5 g含有不同Lgs用量的水凝膠分別放入到50 mL Fe3+溶液(2 g/L)中,在25 ℃下振蕩11 h,然后測定其吸光度,探究Lgs用量對Fe3+吸附性能的影響。同時,探究Fe3+溶液質(zhì)量濃度(1、 2、 3、 4、 5 g/L)、吸附時間(0～11 h)和溫度(5、 15、 25、 35、 45 ℃)對水凝膠吸附Fe3+性能的影響。同時,參考文獻(xiàn)方法[10],采用準(zhǔn)一級動力學(xué)、準(zhǔn)二級動力學(xué)、Langmuir和Freundlich 4種模型研究SA/AAm-Lgs對Fe3+的吸附機(jī)理。

1.3.2動態(tài)吸附 SA/AAm-Lgs對Fe3+的動態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)裝置參考文獻(xiàn)[11]。通過蠕動泵控制待測液恒流通過層析柱(內(nèi)徑1.6 cm,長19.5 cm),每隔一段時間于出水口取5 mL溶液,同時記錄此刻吸附時間,測定取出液的吸光度,通過t時刻出水中Fe3+質(zhì)量濃度(Ct)與Fe3+進(jìn)水質(zhì)量濃度(C0)比值Ct/C0對t作圖,繪制不同柱高(5、 10和15 cm)、流速(0.5、 1和2 mL/min)和Fe3+進(jìn)水質(zhì)量濃度(1、 2和3 g/L)的突破曲線。同時參考文獻(xiàn)[12],運(yùn)用BDST模型對SA/AAm-Lgs吸附Fe3+的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和預(yù)測。

1.4 測試與表征

1.4.1Fe3+吸附量的測定 根據(jù)文獻(xiàn)中Fe3+的標(biāo)準(zhǔn)曲線[10],采用紫外可見分光光度計(jì)測定經(jīng)水凝膠吸附后的上清液的吸光度,進(jìn)而計(jì)算出Fe3+的吸附量。

1.4.2微觀形貌分析 首先將SA/AAm-Lgs(含Lgs 7 mg)放入冷凍干燥機(jī)中徹底脫水,然后放入濺射涂布機(jī)中噴金,噴金后使用SEM觀察水凝膠截面的微觀形貌。

1.4.3紅外光譜分析 采用FT-IR對SA/AAm-Lgs(含Lgs 7 mg)及其制備原料進(jìn)行結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)測定,波數(shù)范圍設(shè)置為500～4 000 cm-1。

1.4.4力學(xué)性能測試 將不同Lgs用量的水凝膠切成7 cm×0.5 cm×2 mm的長條,使用力學(xué)性能測試儀測量水凝膠的力學(xué)性能,拉伸速度設(shè)定為10 mm/min。為減小實(shí)驗(yàn)誤差,每個樣品測試3次,取平均值進(jìn)行計(jì)算。

1.4.5溶脹性能測試 將不同Lgs用量的水凝膠切成1.5 cm×1.5 cm×5 mm,質(zhì)量0.5 g的長方體,浸泡在50 g蒸餾水中,每隔一段時間記錄水凝膠的質(zhì)量,計(jì)算溶脹率。溶脹率通過式(1)計(jì)算。

η=(m′-m0)/m0

(1)

式中:η—溶脹率,%;m0—水凝膠原始質(zhì)量,g;m′—水凝膠飽和質(zhì)量,g。

1.4.6循環(huán)穩(wěn)定性測試 將0.5 g SA/AAm-Lgs(Lgs用量為7 mg)放入2 g/L的Fe3+水溶液中,在25 ℃下吸附11 h。達(dá)到吸附平衡后,將吸附飽和的水凝膠浸入100 mL鹽酸溶液(0.1 mol/L)中再生24 h,然后用100 mL去離子水反復(fù)洗滌3次去除鹽酸,循環(huán)5次。

1.4.7吸附柱參數(shù)測試 SA/AAm-Lgs對Fe3+的動態(tài)吸附過程中,吸附柱的吸附總量(q)、平均吸附量(qe)及Fe3+去除率(R)根據(jù)式(2)～(6)計(jì)算。

(2)

Ca=C0-Ct

(3)

qe=q/m

(4)

W=C0vt0/1 000

(5)

R=q/W×100%

(6)

式中:v—溶液通過吸附柱的流速,mL/min;t0—總吸附時間,min;Ca—被吸附的Fe3+質(zhì)量濃度,mg/L;C0—Fe3+初始(進(jìn)水)質(zhì)量濃度,mg/L;Ct—t時刻水中Fe3+質(zhì)量濃度,mg/L;qe—平均吸附量,mg/g;q—吸附Fe3+的總吸附量,mg;m—吸附劑總質(zhì)量,mg;W—通過吸附柱的Fe3+總量,mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 SA/AAm-Lgs的結(jié)構(gòu)分析

2.1.1SEM分析 復(fù)合水凝膠SA/AAm-Lgs的微觀形貌見圖2。由圖可見,水凝膠具有多孔三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),孔徑范圍在1～3 μm,表明其具有較高的比表面積。同時,高密度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和高結(jié)合水含量為凝膠材料提供較高的機(jī)械強(qiáng)度和水溶性小分子自由擴(kuò)散的通道,這種疏松孔狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增大了水凝膠對Fe3+的吸附性能。

a.×5 000; b.×10 000

圖3 樣品的紅外光譜Fig.3 FT-IR spectra of samples

2.2 SA/AAm-Lgs的性能分析

2.2.1力學(xué)性能分析 不同Lgs用量的復(fù)合水凝膠SA/AAm-Lgs力學(xué)性能如圖4所示。由圖可知,未添加Lgs時,水凝膠的斷裂伸長率為94%,抗拉強(qiáng)度為0.045 MPa;隨著Lgs的用量增加,SA/AAm-Lgs的斷裂伸長率增大,抗拉強(qiáng)度略微增強(qiáng),當(dāng)Lgs用量為9 mg時,SA/AAm-Lgs的斷裂伸長率最大,達(dá)到137%,抗拉強(qiáng)度0.059 MPa。這是因?yàn)長gs中的磺酸基團(tuán)與水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的羥基等官能團(tuán)形成分子間氫鍵,水凝膠內(nèi)部交聯(lián)程度隨之增強(qiáng),力學(xué)性能隨之增強(qiáng),因此添加適量的Lgs能增強(qiáng)水凝膠力學(xué)強(qiáng)度。

圖4 不同Lgs用量SA/AAm-Lgs的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 圖5 不同Lgs用量SA/AAm-Lgs的溶脹曲線

2.2.2溶脹性能分析 不同Lgs用量水凝膠溶脹曲線如圖5所示。由圖可知,不同Lgs用量的水凝膠在0～15 h內(nèi)的溶脹率急劇增加,之后緩慢增加,在30 h之后達(dá)到溶脹平衡狀態(tài)。隨著Lgs用量的增加,水凝膠的平衡溶脹率先升高后降低,5 mg Lgs時制備的SA/AAm-Lgs的溶脹率最大(487%)。這是因?yàn)長gs中含有大量的親水官能團(tuán)(—SO3和—OH),當(dāng)SA/AAm-Lgs中Lgs的含量開始增加時,水凝膠中的聚合分子鏈也會隨之增大,使水凝膠的親水性能逐漸增強(qiáng),其飽和溶脹度也逐漸達(dá)到最大值。Lgs用量為7和9 mg的水凝膠溶脹率分別為412%和364%,這是因?yàn)長gs含量太大導(dǎo)致水凝膠的交聯(lián)密度增大,SA/AAm-Lgs中吸水空間變小,使得吸水性能變差[14]。因此,添加適量的Lgs能在一定程度上提高水凝膠的溶脹性能。

2.2.3循環(huán)穩(wěn)定性能分析 實(shí)驗(yàn)中SA/AAm-Lgs(含Lgs 7 mg)對Fe3+經(jīng)過5次吸附-解吸循環(huán)后,其對Fe3+的吸附能力稍有下降(由137 mg/g變?yōu)?04 mg/g)?？赡苁怯伤z在吸附-解吸過程中質(zhì)量損失,以及水凝膠在鹽酸溶液中對Fe3+不完全解吸造成的,這說明SA/AAm-Lgs具有優(yōu)異的再生性能,回收后的SA/AAm-Lgs水凝膠仍可用于吸附Fe3+。

2.3 SA/AAm-Lgs對Fe3+的靜態(tài)吸附

2.3.1不同Lgs用量的影響 在吸附溫度25 ℃、吸附時間11 h、Fe3+初始質(zhì)量濃度2 g/L下,不同Lgs用量制備的復(fù)合水凝膠SA/AAm-Lgs(0.5 g)對Fe3+的吸附能力如圖6(a)所示。由圖可知,隨著Lgs用量的增加,水凝膠對Fe3+的吸附量先增加后減少,Lgs的用量為7 mg制備的SA/AAm-Lgs對Fe3+的吸附量最大,為130 mg/g。由此可知添加適量的Lgs可使SA/AAm-Lgs中—SO3和—OH基團(tuán)含量提高,提供更多的Fe3+結(jié)合位點(diǎn),從而提高SA/AAm-Lgs對Fe3+的吸附能力。因此,以7 mg Lgs制備得到的復(fù)合水凝膠作為后續(xù)吸附實(shí)驗(yàn)材料。

a.Lgs用量Lgs dosage; b.時間time; c. Fe3+初始質(zhì)量濃度Fe3+ initial mass concentration; d.溫度temperature

2.3.2吸附時間的影響 在用量0.5 g、吸附溫度25 ℃、Fe3+初始質(zhì)量濃度2 g/L下,考察吸附時間對SA/AAm-Lgs(含Lgs 7 mg)吸附性能的影響,如圖6(b)所示。由圖可知,在反應(yīng)初始階段(0～9 h),SA/AAm-Lgs對Fe3+的吸附量快速增加,在>9～11 h階段,對Fe3+的吸附過程趨于平緩,基本達(dá)到吸附平衡。這主要是因?yàn)镾A/AAm-Lgs上帶負(fù)電荷的—OH、—COOH以及—SO3,易與Fe3+相結(jié)合,從而去除溶液中Fe3+。在吸附初始階段時,水凝膠網(wǎng)絡(luò)中有較充足的活性位點(diǎn)可與Fe3+充分結(jié)合,隨著接觸時間的延長,吸附位點(diǎn)逐漸飽和,有效活性位點(diǎn)大量減少,因此在吸附后期,SA/AAm-Lgs對Fe3+的吸附也逐漸飽和,吸附量不再變化。因此,選擇9 h為最佳吸附時間。

2.3.3Fe3+初始質(zhì)量濃度的影響 在吸附時間11 h,吸附溫度25 ℃下,研究不同初始濃度的Fe3+溶液對SA/AAm-Lgs(含Lgs 7 mg)吸附Fe3+的影響,如圖6(c)所示。由圖可知,保持SA/AAm-Lgs的質(zhì)量(0.5 g)不變,隨著Fe3+溶液的初始濃度不斷增加,SA/AAm-Lgs對Fe3+吸附量不斷增大。初始質(zhì)量濃度在0～2 g/L 之間,水凝膠對Fe3+吸附量呈線性增加,隨著初始濃度繼續(xù)增加,水凝膠吸附變緩,在2 g/L后趨于平緩。該結(jié)果可能是因?yàn)镕e3+初始濃度較低時,SA/AAm-Lgs表面的結(jié)合位點(diǎn)不飽和,其次,較高的Fe3+濃度增加了水凝膠和水溶液之間傳質(zhì)阻力的動力,使得Fe3+與SA/AAm-Lgs發(fā)生碰撞的可能性更高。但隨著Fe3+初始質(zhì)量濃度進(jìn)一步提高,SA/AAm-Lgs上活性吸附位點(diǎn)逐漸飽和,對Fe3+吸附量趨于平緩。因此,Fe3+初始質(zhì)量濃度較佳值選取2 g/L。

2.3.4吸附溫度的影響 溫度對于吸附過程也存在較強(qiáng)的影響,在吸附時間11 h,Fe3+初始質(zhì)量濃度2 g/L下,研究不同溫度下SA/AAm-Lgs(含Lgs 7 mg)對Fe3+的吸附情況,如圖6(d)所示。由圖可知,隨著溫度逐漸升高,SA/AAm-Lgs對Fe3+吸附量逐漸增加(從92 mg/g增加到了134 mg/g),這是因?yàn)闇囟壬?加速了Fe3+在SA/AAm-Lgs中的擴(kuò)散過程,從而提高了Fe3+被SA/AAm-Lgs吸附的機(jī)會?？紤]實(shí)際應(yīng)用是在常溫下操作以及成本等因素,選取25 ℃為較佳吸附溫度。

2.3.5SA/AAm-Lgs對Fe3+的吸附動力學(xué)研究 采用準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級動力學(xué)模型對SA/AAm-Lgs靜態(tài)吸附Fe3+結(jié)果擬合,經(jīng)計(jì)算,準(zhǔn)二級動力學(xué)模型擬合相關(guān)系數(shù)(R2)為0.996,擬合的平衡吸附量為140.64 mg/g;準(zhǔn)一級動力學(xué)模型擬合相關(guān)系數(shù)(R2)為0.992,擬合的平衡吸附量為75.5 mg/g。由數(shù)據(jù)可知,準(zhǔn)二級動力學(xué)模型擬合度較好,并且其擬合的平衡吸附量(140.64 mg/g)與實(shí)際平衡吸附量(130.3 mg/g)更相近,說明吸附過程主要是化學(xué)吸附。

2.3.6SA/AAm-Lgs對Fe3+的吸附等溫線研究 采用Langmuir和Freundlich吸附等溫模型對SA/AAm-Lgs靜態(tài)吸附Fe3+結(jié)果進(jìn)行擬合,經(jīng)過計(jì)算,Langmuir模型擬合的相關(guān)系數(shù)(R2)為0.960,最大理論吸附量(qm)為166.67 mg/g,與實(shí)驗(yàn)計(jì)算值143.15 mg/g相近。Freundlich模型擬合的相關(guān)系數(shù)(R2)為0.771 8。因此,Langmuir模型擬合效果更好,SA/AAm-Lgs對Fe3+的吸附更適合Langmuir模型,說明SA/AAm-Lgs對Fe3+的吸附過程為單分子層吸附。

2.4 SA/AAm-Lgs的動態(tài)吸附性能分析

2.4.1柱高的影響 在含F(xiàn)e3+溶液進(jìn)水質(zhì)量濃度2 g/L,系統(tǒng)流速1 mL/min下,吸附柱高度在5、 10和15 cm時分別進(jìn)行動態(tài)吸附,繪制的突破曲線和相應(yīng)吸附柱參數(shù)如圖7(a)和表1所示。由圖可知,隨著固定床高度的增加,突破曲線向右偏移,達(dá)到吸附突破點(diǎn)的時間分別為150、 210和330 min。由表1可知,吸附柱柱高增加的同時,吸附總量和Fe3+去除率(R)也提高,這是因?yàn)橹咻^低時,吸附劑中的活性吸附位點(diǎn)也相應(yīng)變少[15],通入的Fe3+會快速通過吸附柱導(dǎo)致出水中的含F(xiàn)e3+量很快達(dá)到突破點(diǎn)。隨著吸附柱高的增加,吸附劑含量增加,吸附活性位點(diǎn)也增多,Fe3+與吸附劑有更多的接觸機(jī)會,因此出水中的Fe3+到達(dá)突破點(diǎn)的時間變長,吸附能力也提高[16]。根據(jù)15 cm柱高吸附的吸附時間是5 cm的2.2倍,是10 cm的1.6倍,選擇10 cm為較佳柱高。

表1 不同操作條件下吸附柱的參數(shù)1)

a.柱高h(yuǎn)eight of column; b.流速velocity of flow; c.Fe3+進(jìn)水質(zhì)量濃度Fe3+ influent mass concentration

2.4.2流速的影響 在Fe3+進(jìn)水質(zhì)量濃度為2 g/L,吸附柱高度為10 cm下,探究系統(tǒng)流速為0.5、 1和2 mL/min時SA/AAm-Lgs對Fe3+動態(tài)吸附的影響,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制突破曲線和相應(yīng)吸附柱參數(shù),如圖7(b)和表1所示。由圖可知,隨著流速的增加,突破曲線的形狀逐漸變陡,吸附的突破時間減少,流速為0.5、 1和2 mL/min達(dá)到吸附突破點(diǎn)的時間分別為320、 210和140 min。吸附質(zhì)在吸附柱中停留時間較長,更有利于吸附,主要原因是在流速較慢的情況下,通入吸附柱的Fe3+可以與水凝膠有充分的接觸[17]。吸附劑上的—OH、—COOH等官能團(tuán)與Fe3+發(fā)生螯合作用被固定在吸附劑上,隨著Fe3+溶液的不斷通入吸附柱,吸附位點(diǎn)逐漸被占用,出水中的Fe3+溶液濃度逐漸升高。然而隨著流速的增加,Fe3+在吸附柱中停留時間較短,導(dǎo)致吸附質(zhì)與吸附劑的接觸時間縮短,減少了SA/AAm-Lgs與Fe3+之間的接觸時間,導(dǎo)致Fe3+進(jìn)行內(nèi)擴(kuò)散的時間不足,進(jìn)而更快到達(dá)突破時間[18]。隨著流速的減少,對Fe3+平均吸附量呈上升趨勢,但流速為0.5 mL/min時到達(dá)突破點(diǎn)的吸附時間是1 mL/min的1.5倍,是2 mL/min的2.3倍。因此,選擇1 mL/min為較佳流速。

2.4.3Fe3+進(jìn)水質(zhì)量濃度的影響 在吸附柱高度為10 cm,系統(tǒng)流速為1 mL/min下,考察Fe3+進(jìn)水質(zhì)量濃度為1、 2和3 g/L時SA/AAm-Lgs對Fe3+的動態(tài)吸附的影響,繪制突破曲線和相應(yīng)的吸附柱參數(shù),如圖7(c)和表1所示。如圖所示,隨著Fe3+進(jìn)水質(zhì)量濃度的減少,突破曲線向左偏移,達(dá)到吸附突破點(diǎn)的時間分別為 150、 210和300 min。由表1可知,隨著Fe3+進(jìn)水質(zhì)量濃度的增加,Fe3+去除率也略微增加,吸附總量和平均吸附量相近。這是因?yàn)楹現(xiàn)e3+溶液進(jìn)水質(zhì)量濃度較低時,由于濃度梯度較低導(dǎo)致吸附質(zhì)與吸附劑之間的傳質(zhì)緩慢。而在較高的進(jìn)水質(zhì)量濃度下,SA/AAm-Lgs兩側(cè)的濃度差增大會出現(xiàn)更大的驅(qū)動力,傳質(zhì)速率也進(jìn)一步加快,且水凝膠與Fe3+沒有充分的接觸,吸附柱利用率降低,從而更快達(dá)到飽和[19]。隨著進(jìn)水質(zhì)量濃度的增加,Fe3+去除率增加,吸附總量和平均吸附量相近。因此,選擇Fe3+質(zhì)量濃度3 g/L為最佳進(jìn)水質(zhì)量濃度。

綜合分析不同條件下的吸附量、吸附時間及Fe3+去除率,選擇柱高10 cm、流速1 mL/min、Fe3+進(jìn)水質(zhì)量濃度3 g/L為該動態(tài)吸附裝置的最佳運(yùn)行條件。

2.4.4BDST模型擬合及預(yù)測 BDST模型可以描述不同柱高下SA/AAm-Lgs吸附Fe3+的性能。在Fe3+進(jìn)水質(zhì)量濃度2 mg/L、流速1 mL/min條件下,將柱高作為橫坐標(biāo),將隨機(jī)選取Ct/C0為0.8和0.85為突破點(diǎn)時所對應(yīng)的時間t為縱坐標(biāo),繪制擬合曲線,如圖8所示。由擬合數(shù)據(jù)可知,Ct/C0為0.8的擬合的相關(guān)系數(shù)為0.992,Ct/C0為0.85的擬合的相關(guān)系數(shù)為0.989,擬合程度均較好,說明柱高對突破曲線的影響較小,可以用BDST模型描述不同柱高下SA/AAm-Lgs吸附Fe3+與突破時間的關(guān)系。當(dāng)突破點(diǎn)由0.8提高至0.85時,斜率由7.713 min/cm增加至10.669 min/cm,截距由18.82 min減小至3.41 min,吸附量由15.4 g/L增加至21.3 g/L,說明吸附量隨突破點(diǎn)的提高而增加。吸附速率常數(shù)(K)從-0.036 8 mL/(mg·min)減至-0.254 6 mL/(mg·min),由于吸附過程的推進(jìn),大量Fe3+被吸附在SA/AAm-Lgs表面,使SA/AAm-Lgs兩側(cè)的濃度梯度下降,吸附的能力減弱,因此吸附速率常數(shù)下降。

圖8 SA/AAm-Lgs吸附Fe3+的BDST模型擬合結(jié)果Fig.8 BDST model fitting results of SA/AAM-Lgs hydrogel adsorbing Fe3+

此外,在Fe3+初始質(zhì)量濃度2 g/L、流速1 mL/min條件下,選用突破點(diǎn)Ct/C0=0.8的擬合方程計(jì)算不同柱高下的理論突破時間,與通過實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)際時間進(jìn)行對比。選取3個不同突破點(diǎn)(Ct/C0為0.78、 0.75和0.70)所對應(yīng)不同柱高(5、 10和15 cm,突破點(diǎn)與柱高一一對應(yīng))下理論突破時間與實(shí)際突破時間,兩者誤差分別為4.76%、 0.95%和1.67%。這表明SA/AAm-Lgs對Fe3+的吸附過程可以通過BDST模型描述,進(jìn)而預(yù)測不同濃度和流速的突破時間。

當(dāng)柱高為10 cm,Fe3+初始質(zhì)量濃度2 g/L條件下,流速由1 mL/min改為2 mL/min,突破點(diǎn)Ct/C0為0.8時,理論時間與實(shí)際突破時間分別為19.75和19.06 min;突破點(diǎn)Ct/C0為0.85時,理論時間與實(shí)際突破時間分別為49.94和47.97 min,理論突破時間與實(shí)際突破時間的誤差分別為3.49%和3.94%。當(dāng)柱高10 cm,流速1 min/L條件下,Fe3+初始質(zhì)量濃度由2 g/L改為1 g/L,突破點(diǎn)Ct/C0為0.8時,理論時間與實(shí)際突破時間分別為120.05和109.81 min;突破點(diǎn)Ct/C0為0.85時,理論時間與實(shí)際突破時間分別為207.18和186.94 min,理論與實(shí)際的突破時間誤差分別為8.91%和9.77%。以上誤差均在15%以內(nèi),這表明在實(shí)際應(yīng)用中,通過改變Fe3+進(jìn)水質(zhì)量濃度或流速,就可以預(yù)測出水溶液達(dá)到突破點(diǎn)時所需的時間,進(jìn)而提高了操作效率。

3 結(jié) 論

3.1以海藻酸鈉(SA)和丙烯酰胺(AAm)為基體,引入木質(zhì)素磺酸鈉(Lgs),采用自由基聚合法制成了復(fù)合水凝膠吸附劑SA/AAm-Lgs。SEM和FT-IR分析表明:成功制備了多孔三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的SA/AAm-Lgs;性能分析表明:添加適量的Lgs能增強(qiáng)水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度和溶脹性能,制備的水凝膠具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

3.2復(fù)合水凝膠SA/AAm-Lgs(含Lgs 7 mg)靜態(tài)吸附Fe3+的工藝為:水凝膠用量0.5 g,溫度25 ℃、Fe3+初始質(zhì)量濃度2 g/L。此條件下,SA/AAm-Lgs對Fe3+的吸附量高達(dá)143 mg/g。吸附等溫線和動力學(xué)模型擬合表明SA/AAm-Lgs對Fe3+的吸附更適合Langmuir等溫線和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型,這說明吸附過程為以化學(xué)吸附為主的單分子層吸附過程。

3.3復(fù)合水凝膠SA/AAm-Lgs動態(tài)吸附Fe3+實(shí)驗(yàn)中,隨吸附柱高度增加,吸附突破時間也延長;隨著進(jìn)水Fe3+初始質(zhì)量濃度和流速的增加,吸附突破時間急劇縮短。BDST模型擬合得到的理論和實(shí)際的突破時間誤差均在15%以內(nèi),其可以較好地描述Fe3+在吸附柱中的動力學(xué)特征。