摘 要：以漢麻廢棄物為原料，通過KMnO4氧化處理，制備了表面富含Mn-O基團的改性漢麻吸附材料，研究了改性漢麻吸附材料對水體中重金屬離子吸附性能。改性漢麻吸附材料對水體中Pb2+吸附容量比改性前提高4倍多。改性漢麻吸附材料吸附容量達37.86mg·g-1。KMnO4改性漢麻材料具有易制備、價廉環(huán)保等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：KMnO4；漢麻廢棄物；重金屬離子；吸附
重金屬污染會對接受水體的人和動植物造成嚴重危害[1]，由于水體流動性大，污染范圍廣，容易引發(fā)區(qū)域性供水危機，所以水體重金屬離子去除治理尤為重要[2]。重金屬離子的去除方法主要包括化學沉淀法、氧化還原法、電解法、離子交換法和吸附法等[3,4]。吸附法是適合處理重金屬離子污染的方法之一。生物吸附相較于非生物吸附法具有材料來源廣、吸附速率快、適應(yīng)范圍廣、去除效果好、成本低等優(yōu)點。
近年來，漢麻產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，國家對漢麻種植應(yīng)用開發(fā)的投入不斷加大，在漢麻有效成分大麻酚領(lǐng)域取得了一定的成果，而對于大面積種植過程中產(chǎn)生漢麻稈等廢棄物并沒有最大化的有效利用。經(jīng)過脫膠等手段，可以提取出大量漢麻纖維與桿芯。在漢麻有效成分提取的過程中，產(chǎn)生大量提取剩余物，其含有纖維素與木質(zhì)素等成分，具有一定的孔狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過氧化手段改性，具有一定的吸附效能。
本研究對漢麻有效成分（THC、CBD、CBN)[5,6,7,8]提取過程中所產(chǎn)生的漢麻提取剩余物進行KMn O4氧化，制得改性漢麻吸附材料，研究了其對重金屬離子的吸附性能，建立KMn O4改性漢麻吸附材料吸附Pb2+工藝，并對改性吸附劑官能團進行分析，目的在于達到漢麻廢棄物再利用以及吸附水中Pb2+的目的。
1實驗部分
1.1主要儀器與試劑
Milli-Q Biocel型超純水制備系統(tǒng)（美國Millipore公司）；101-OAB型電熱鼓風干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；PTX-FA110型電子天平（福州華志科學儀器有限公司）；ICAN9型傅里葉紅外光譜儀（天津市能譜科技有限公司）；HS-350C型磁力攪拌器（杭州佑寧儀器有限公司）。
Pb(NO3)2(AR國藥集團化學試劑有限公司）；KMn O4(AR國藥集團化學試劑有限公司）；漢麻5號（黑龍江省科學院大慶分院儲藏）。
1.2漢麻剩余物制取
取鮮漢麻葉200g于50℃鼓風干燥箱烘干8h、去除水份，經(jīng)粉碎機粉碎并過100目篩，備用。
采用乙醇超聲輔助提取法對以上漢麻樣品進行大麻酚提取[9]，具體步驟如下：稱取100g漢麻粉末于1000m L錐形瓶中，加入600m L無水乙醇，在超聲波功率300W，提取時間25min、提取溫度45℃、提取次數(shù)1次條件下提取大麻酚有效成分。用注射器將漢麻提取液析出，進行有效成分分析，將漢麻提取剩余殘渣置于50℃鼓風干燥箱烘干4h，制得漢麻剩余物。
1.3改性漢麻吸附材料制備
在25℃條件下，取漢麻提取廢棄物粉末30g于0.3mol·L-1KMn O4300mL，磁力攪拌時間為6h，使之充分反應(yīng)，用注射器將KMn O4溶液移出后經(jīng)超純水進行清洗至中性，經(jīng)50℃鼓風干燥箱烘干3h，去除水分，備用。
1.4改性漢麻吸附材料對水體中重金屬離子吸附研究
在3個1000m L燒杯中分別加入600m L Cu2+、Pb2+、Cr2+溶液，依次投放3g改性漢麻提取剩余物，即吸附劑濃度為5g·L-1，以吸附容量為指標，在相同外源因素條件下；水體中pH值、改性漢麻吸附材料吸附劑投放量與金屬離子濃度比值（A/C）等因素，初步考察改性漢麻吸附材料在不同時間下Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附容量。吸附容量計算公式Q=(C1-C2)V/m。式中Q：吸附容量，mg·g-1;C1：金屬離子初始濃度，mg·L-1;C2：吸附后Pb2+平衡濃度，mg·L-1;V：金屬離子溶液體積，L;m：改性漢麻提取廢棄物吸附劑質(zhì)量，g。
1.5漢麻廢棄物改性前后官能團表征試驗
實驗過程中使用ICAN9傅里葉紅外光譜儀，采用KBr壓片法進行樣品測試，光譜分辨率為0.4cm-1。
2結(jié)果與討論
2.1改性漢麻吸附材料對重金屬離子吸附性能
2.1.1 3種重金屬離子吸附實驗
圖1為3種重金屬離子在改性漢麻吸附材料上的吸附曲線。
圖1重金屬離子吸附曲
由圖1可知，隨著吸附時間的增加，其吸附容量逐漸變大，直到吸附位點達到飽和，KMn O4改性漢麻吸附材料在3種金屬離子吸附過程中表現(xiàn)出一定的選擇性，即對Pb2+吸附效果明顯優(yōu)于Cu2+與Cd2+，在A/C值為20,p H值為5時，采用動態(tài)吸附方式，總吸附時間為80min，總體表現(xiàn)為改性漢麻吸附材料對Pb2+最大吸附容量為37.86mg·g-1，吸附時間為22min；改性漢麻吸附材料對Cu2+最大吸附容量為11.32mg·g-1，吸附時間為18min；改性漢麻吸附材料對Cd2+最大吸附容量為12.35mg·g-1，吸附時間為18min。初步研究KMn O4改性漢麻吸附材料對Pb2+吸附效果較好。
2.1.2改性漢麻吸附材料對水體中Pb2+吸附試驗
2.1.2.1水體pH值對吸附容量影響
圖2溶液pH值對吸附容量的影響
吸附容量隨著pH值的增大先是增大后降低，在酸性較強溶液中，存在大量H+，與溶液中Pb2+存在吸附競爭，吸附容量相對較小，在酸性較弱環(huán)境中H+濃度較Pb2+濃度相對較低，此時吸附容量提高，當溶液pH值超過5時，吸附容量逐漸降低，由于在弱酸性條件下生成Pb(OH)2，導致吸附容量降低。
2.1.2.2改性對吸附容量的影響
圖3吸附時間對吸附容量的影響
由圖3可見，改性漢麻吸附材料吸附容量在22min時達到最大值37.86mg·g-1，隨著吸附時間進一步增加，吸附容量影響趨于平衡；而未經(jīng)過改性處理的漢麻吸剩余物對Pb2+吸附容量較低，在18min時達到最大吸附容量7.01mg·g-1，吸附容量較低。
2.2漢麻吸附材料改性前后紅外光譜圖
圖4漢麻廢棄物改性前后紅外光譜圖
在4000～1300cm-1官能團區(qū)，漢麻改性提取剩余物在3400cm-1處有R3COH中O-H伸縮振動吸收峰，譜圖顯示改性后其峰強度變?nèi)?，表?span lang="EN-US">-OH含量減少；在1160～1000cm-1處為R3C-OH中C-O伸縮振動，同樣顯示改性后其峰強度變?nèi)?，再次證明改性后-OH含量減少；在900～600cm-1指紋區(qū)，改性后在510cm-1處有強吸收峰，為Mn-O伸縮振動吸收峰，即氧化活性位點處生成大量Mn O2，由紅外光譜圖可知，漢麻改性提取剩余物改性后引入含氧基團并局部生成了Mn O2吸附性顆粒
3結(jié)論
探索了KMn O4氧化漢麻剩余物制備改性漢麻吸附材料的方法，研究了改性漢麻吸附材料對水體中重金屬離子吸附性能。改性漢麻吸附材料對水體中Pb2+吸附容量比改性前提高4倍多。改性漢麻吸附材料吸附容量達37.86mg·g-1。KMn O4改性漢麻材料具有易制備、價廉環(huán)保等優(yōu)點。
參考文獻
[1]Srivastava N K,Majumder C B.Novel biofiltration methods for the treatment of heavy metals from industrial waste water[J].J.Hazard Mater.,2008,151(1):1-8.
[2]江海燕.改性聚乙烯醇對環(huán)境廢水中主要重金屬離子的吸附行為研究[D].成都：成都理工大學.
[3]柳健，徐雅迪，任擁政.化學沉淀法處理含鉛廢水的最佳工況研究[J].環(huán)境工程，2015,S1:25-28;48.
[4]CAI Wen-min,CHEN Jia-jun,WANG Qing-wei,et al.Optimization analysis of separation conditions of washed water containing a lead complex and characterization of the precipitation products[J].Water Sci.Technol.,2017,76(12):3320-3226.
[5]Ambach L,Penitschka F,Broillet A,et al.Simultaneous quantification of Delta-9-THC,THC-acid A CBN and CBD inseized drugs using HPLC-DAD[J].Forensic.Sci.Int.,2014,243:107-111.
[6]Chang C W,Yen C C,Wu M T,et al.Microwave-assisted extraction of cannabinoids in hemp nut using response surface methodology[J].Molecules.,2017,22:1894-1909.
[7]Cai Chang-yong,Yu Wang,Wang Chao-yun,et al.Green extraction of cannabidiol from industrial hemp(Cannabis sativa L.)using deep eutectic solvents coupled with further enrichment and recovery by macroporous resin[J].J.Mol.Liq.,2019,287:110957.
[8]Vaida K,Dovyda B,Petras R V.Biorefining of industrial hemp(Cannabis sativa L.)threshing residues into cannabinoid and antioxidant fractions by supercritical carbon dioxide,pressurized liquid and enzyme-assisted extractions[J].Food.Chem.,2018,267:420-429.
[9]張旭，孫宇峰，田媛，等.SPE-HPLC法同時測定漢麻提取物中3種大麻酚含量[J].化學試劑，2018,40(6):547-550.
文章摘自：張旭,柏廣宇,高寶昌,田媛,崔寶玉.改性漢麻材料對水體中重金屬離子吸附性能研究[J].化學工程師,2021,35(11):39-41.DOI:10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20211139.
