利用一种新的合成物壳聚糖生物吸附剂去除Cr(Ⅵ)外文翻译资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

出处：Environmental science amp; technology, 2003, 37(19): 4449-4456

中文5495字

外文译文

利用一种新的合成物壳聚糖生物吸附剂去除Cr(Ⅵ)

Veeram.Boddu;Krishnaiahabburi;Jonathanl.Talbott;Edgard.Smith

利用一种葡(萄)糖胺生物聚合物壳聚糖涂膜在氧化铝陶瓷上制备新型壳聚糖复合生物吸附剂，由高温热裂解、孔性计、电镜扫描、X射线光电子能谱法测定其特征. 在25℃进行间歇等温吸附平衡和连续塔吸附试验以检验它从镀铬设施废水中去除六价铬,并研究 pH值,硫酸盐、氯离子对吸附的影响。铬(Ⅵ)饱和的生物吸附剂可以在0.1M 氢氧化钠溶液再生。 对比目前的调查结果与文献报道表明氧化铝表面的壳聚糖具有更大的铬(VI)吸附能力。 另外,实验平衡数据拟合Langmuir和Freundlich等温吸附式和得出的等温参数值, Langmuir模型所得最大的容量是153.85毫克/克壳聚糖。

概述

从采矿、电镀设备、发电设备、电子器件制造单位和皮革厂排放的废水中金属离子浓度往往高于当地排放标准,这些废水中含有有毒重金属如铬、镉、铅、汞、镍、铜等。在采矿、电镀、工业加工、核燃料合成、军事基地分局周围的地下水含有害成分. 根据环保法规,污水或水中含有重金属在排放之前一律进行处理。化学沉淀,氧化/还原, 机械过滤、离子交换、膜分离、 碳吸附等各种处理方法广泛应用于去除废水中的有毒重金属。 近年来生物吸附被公认为减少地表水和工业废水金属污染的一种有效方法。

生物吸附是指利用生物材料从溶液中去除金属或非金属单质,化合物和离子.Olin和Bailey等开展了广泛的资料研究,以找出潜在的低成本吸附剂处理重金属污染的水和重金属废水. 他们鉴别了12种潜在吸附剂去除铅、镉、铜、锌、汞,其中壳聚糖具有最高的金属离子的吸附容量。

壳聚糖是从虾、螃蟹、某些真菌、甲壳类生物等萃取得到的甲壳素通过脱乙酰作用获得. 壳聚糖在自然界中不仅丰富廉价,同时它又是一个良好的重金属吸附剂,壳聚糖可以螯合超过甲壳素5-6倍量的金属，这是因为在壳聚糖里因脱乙酰作用存在自由氨基。研究人员先后多次企图改进壳聚糖以使其更容易传质和释放活性官能团来增强吸附能力。嫁接功能团到原壳聚糖主链来进一步提高其吸附性能。Kawamura, Hsein 和 Rorrer等研究了多孔壳聚糖和化学交联壳聚糖粒对重金属的吸附,与天然壳聚糖相比，多孔壳聚糖颗粒、化学交联壳聚糖粒子、 冠醚壳聚糖、浸微壳聚糖, 金属离子络合壳聚糖树脂明显提高了吸附能力。

volesky,Holan ,Waseand 和Forster 讨论了几种生物吸附剂对金属包括放射性的物质铀、钍等的吸附能力,认为这些生物吸附剂应对材料进一步改进和向商品化发展。它们的天然形式是软性的和其水溶液有一种结块或形成凝胶的倾向. 此外，自然形成的活性官能团不易速效吸附，而在工艺流程设计过程中该基团对传递金属污染物起着十分重要的作用，它还提供应用处理中所需的物质支持和增大金属结合基团接纳金属的可达性。 因此,本次研究试图制备一种将壳聚糖涂在氧化铝表面的生物吸附剂。

这种由氧化铝为载体的生物吸附剂由高温热裂解、孔性计、电子显微镜扫描、X射线光电子能谱测定其特征 。在Brunauer-Emmett-Teller (BET)吸附等温线基础上，它的表面积、孔径 、孔径分布由氮孔率决定。

这项研究的目的是制备一种壳聚糖合成物，了解其吸附特征，检验合成物和天然样本的去除铬(Ⅵ)的能力以及在间歇和连续模型中的等温吸附平衡时的吸附容量。 另外,还应获得与Langmuir和Freundlich等温吸附式拟合的实验平衡数据和等温参数值，并用同样试剂进行塔吸附试验，以及pH值对铬(Ⅵ)吸附的影响程度，也将研究壳聚糖生物吸附剂在0.1M氢氧化钠溶液中的再生能力。

实验内容

化学样品 来自Aldrich化工股份有限公司(Milwaukee, WI)的重铬酸钾、活性氧化铝、壳聚糖、1,5二苯卡巴，其中活性氧化铝是标准级150目brockman I。由Fisher 化工(Fair Lawn, NJ)生产的氯化钾、氢氧化钠。来自EM 科学(Gibbstown, NJ)的硫酸钾。所有的盐类都是ACS(美国化学学会)认证等级或更好。 所有溶液由ASTM(美国材料试验学会)的去离子水制备(18 MOmega;-H₂O grade Barnstead Nanopure)。

生物吸附剂准备 由壳聚糖凝胶覆盖陶瓷的生物吸附剂的制备过程如下:将150目氧化铝陶瓷在110℃烘箱干燥4小时后在室温下用草酸搅拌混合4小时进行表面涂层, 然后从酸中过滤出的氧化铝用去离子水洗两次，再在70℃真空烘箱中干燥24小时，将约50克中等分子量壳聚糖徐徐加入1000毫升质量分数为10%草酸溶液并搅拌。 加热至40-50℃使其容易混合形成酸和壳聚糖的粘性混合物(凝胶)。取大约500毫升的壳聚糖凝胶用水稀释2倍并加热至40-50℃，将约500克的酸处理后的氧化铝缓慢加入稀释凝胶并搅拌约36小时之后静置澄清。再用Whatman41滤纸在真空条件下过滤出上清液，将得到的合成物用去离子水洗两次,然后在55℃真空烘箱中干燥24小时, 最后在涂过一层生物吸附剂的氧化铝上进行重复涂层处理以增加壳聚糖的负载量，大约用时24小时。合成过程中过量的草酸用氢氧化钠溶液中和处理. 再将两次涂膜的混合物用Whatman41滤纸过滤,并用2500毫升的去离子水洗，及过滤之后在55℃真空烘箱干燥48小时左右，转移到玻璃瓶后存放在干燥器内。

生物吸附剂的特征 生物吸附剂特性包括:(1)热解,(2)孔径分析,(3)电子显微镜扫描,(4)XPS分析。

(1)热裂解技术测定氧化铝负载的壳聚糖。 测量生物吸附剂在裂解中减少的重量得到在氧化铝上负载的壳聚糖的量。将准确称量后的干燥生物吸附剂放入瓷瓶内放入一个750℃ 马弗炉内6小时，然后在干燥空气中冷却,称量得到生物吸附剂减轻的重量。用空瓷瓶、纯氧化铝、酸处理氧化铝、纯壳聚糖和生物吸附剂做各进行三次的对照实验。

(2)由孔性计确定的表面积和孔径。 使用一个微型的BET 测定仪在零下196℃下超纯度的氮气条件下测定生物吸附剂的表面积、孔容和孔径，它们的平均值分别是125.24 sq.m/g、0.1775cm3/g、71.125Aring;。

(3)电子显微镜扫描， 以电子显微镜研究表面形态。壳聚糖生物吸附剂的电子显微镜扫描 (SEMs)由环境扫描电子显微镜(XL30-ESEM-FEG, FEI 公司, Hillsboro, OR,U.S.A.)获得，见图1(a)、(b)。

图1 放大100倍（a）和800倍（b）的壳聚糖生物吸附剂的扫描电子显微镜像

(4)X射线光电子能谱 壳聚糖生物吸附剂XPS谱在PHI模型5400AXIS Ultra Kratos 分析仪(Manchester,U.K.)得出，列于图2。 图3是在铬液反应后吸附剂的XPS谱,显示了吸附铬的2个高峰。

图2

图3

等温吸附平衡. 研究适量重铬酸钾溶解在去离子水得到的Cr(Ⅵ)溶液中的间歇等温吸附平衡。用原子吸收光谱法和紫外光谱仪测定溶液的金属浓度, 在25plusmn;0.5℃进行大量的100至500毫克壳聚糖生物吸附剂的等温平衡研究, pH4.0的铬溶液(50毫升)与壳聚糖生物吸附剂在200RPM的搅拌水浴24小时后达到平衡 ,之后从溶液中用Whatman41滤纸过滤出该生物吸附剂，分析滤液中的金属含量。 每单位生物吸附剂的金属吸附量qe(毫克) ,由下式式得出 :

其中Ci和Ce分别是初始和平衡时的浓度（毫克/升）, M是生物吸附剂的干重（克）,V是溶液体积（升）.分别在不同的pH值下得出pH在平衡吸附试验中对吸附过程的影响，以及检验负离子即硫酸盐、氯化物铬(Ⅵ)吸附的影响. 实验中硫酸盐、氯化物浓度控制在1毫摩尔水平。

塔吸附试验 在内径约1厘米长30厘米床容为30cm3的玻璃柱内进行动态吸附试验，实验中柱完全泡在用一个恒温neslab 和masterflex泵的25plusmn;0.5℃循环水浴中，塔底采用孔隙100微米聚乙烯滤盘托住吸附剂。当柱充满干燥吸附剂时震荡以使空隙和空气量减到最少，将塔溶液作适当稀释后用分光光度计测定不同时期的浓度，当塔中铬饱和后泵入空气清洗剩余水溶液以使其在0.1M氢氧化钠溶液再生，并在解吸过程的第5、10、20、30分钟进行采样分析。再生后，用去离子水清洗塔以备以后吸附时使用。

分析过程 在酸性介质中测量铬(六)与1,5-二苯卡巴反应形成红紫色化合物可以测定六价铬测定。通过紫外可见分光光度计测量得到该化合物的最大吸光度在540纳米，用重铬酸钾标准溶液标定六价铬，为了显色将等温吸附样品用0.2摩尔硫酸调整pH到1.0plusmn;0.3，则样品浓度根据铬(六)标准溶液的吸光度与浓度关系曲线得到。精确研究显示，分析程序的再生性优于1毫克/升。

结论

涂膜过程制备了一种稳定的、wheatish彩色的颗粒生物吸附剂合成物。

方案一

生物吸附剂的性质 前面讲述了通过高温热裂解的方法测定覆盖在150目氧化铝上的草酸和壳聚糖的平均量。结果表明，纯氧化铝损失约2.1%，草酸处理过的净重减少4.5%，单一壳聚糖膜氧化铝净损失7.8%，而二次壳聚糖膜的生物吸附剂净重减少21.1%，纯壳聚糖在750℃裂解后残留重量0.7%。壳聚糖从螃蟹壳中由酸碱提取甲壳素通过作用获得的，所以该残留物可能是少量的碳酸钙混入甲壳素而产生的，但残留量很少，没必要为此在壳聚糖净重上进行修正。

草酸这个羧酸在氧化铝与壳聚糖之间起桥梁作用. 正如方案1中，一个羧酸基与氧化铝形成较强的螯合连环酯,而另外一个与壳聚糖的-NH³ 形成离子(或电子)键。 生物吸附剂中的草酸还可与-OH、 -CH2OH或者-NH2形成的氢键。图1（a）（b）的壳聚糖氧化铝的扫描电子显微镜像(SEMS)表明颗粒的平均粒径为100-150微米,且合成物颗粒一般为球形。 一些颗粒由单个粒子聚集成团的，生物吸附剂的细孔面积仅为3.3m²/g，而总表面积达到了105.2 m²/g，这表明吸附剂相对来说是无孔的。

在图2的XPS光谱中表明在结合能为289 eV (C 1s)、535 eV (O 1s)、402 eV (N 1s), 和78 eV (Al 2p)时碳、氧、氮、和铝为表面观测到的主要元素。在此结合能的基础上，壳聚糖的一半表面可以用-CH2OH、 -CO和-NH2鉴别。在图3中展示了在铬溶液中暴光后的铬的光谱，它表明铬已部分地（约67%）转化为铬(III)，此结果与Dambies等观测结果一致。

平衡等温线 在25°C和pH为4条件下铬(六)的等温吸附平衡的结果如图4。

图4

等温先表明增大吸附质的平衡浓度可以促进吸附。生物吸附剂的吸附容量为153.8毫克铬(六)/克壳聚糖。有资料报道，每单位质量的天然壳聚糖吸附剂吸附铬(六)的最大值为27毫克，Ni2 印记壳聚糖树脂为51毫克，而化学交联和非交联壳聚糖分别为78毫克和50毫克，这里报道的两次涂膜的生物吸附剂大大好于其他物质可以看出：生物吸附剂壳聚糖合成物比天然壳聚糖有更大的吸附能力，即涂膜过程促进了壳聚糖的吸附能力，这可能是因为增大了表面积和促进了铬离子向壳聚糖结合部位的传递。图5表明pH值对生物吸附剂吸附铬(六)的影响。

图5

从图中看出，低pH有利于吸附而增大pH值时吸附作用降低，dantas和schmuhl等也得到了类似的结果。铬(六)以几种稳定的形式存在。如Cr₂O₇^2-、HCr₂O₇^-、.和Cr₂O₇^2-,HCr₂O₇^-, HCrO₄^-,和CrO₄^2-,它的存在形式主要取决于铬离子的浓度和溶液的pH值.在较低的pH值时,吸附剂由于氨基而带正电,而吸附质中的铬酸盐离子以阴离子形式存在从而形成吸附剂与吸附质的静电吸引。因此,在较低的pH值时可增大吸附.若增大溶液的pH值则吸附剂会受到非质子化和吸附容量的降低.当超过某一pH值,仅仅吸附过程回影响从水介质中去除铬(Ⅵ)。因此所有数据都是在pH值为4.0时得到的。

在图6中表示氯化

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[19426]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word