多微孔苄基木粉的制备及其对铜离子的吸附性能

杨瑶　谭晓燕

摘要将杉木粉进行苄基化改性反应，再经高温水蒸汽爆破处理制得多微孔苄基木粉，用红外光谱、扫描电镜对杉木粉改性前后的结构进行了表征.以多微孔苄基木粉为吸附剂，用原子吸收光谱研究了体系初始pH值、铜离子浓度、吸附温度和吸附时间等因素对铜离子的吸附效率.结果表明，多微孔苄基木粉对铜离子的吸附能力高于原木粉、脱脂木粉和苄基木粉；当溶液的pH值为4.0、铜离子浓度为40 mg/L、吸附温度为40 ℃、吸附时间为45 min，多微孔苄基木粉质量为溶液质量的0.8%时，铜离子的去除率高达99%.

关键词木材改性；苄基木粉；铜离子；原子吸收光谱；吸附

中图分类号TQ35； X72； X131.2文献标识码A文章编号10002537（2015）01002805

木粉是木材工业中价格低廉的副产品，含有纤维素、半纤维素、木质素等.由于其分子结构中含有羟基、醚基等含氧官能团，存在过渡孔或微孔，因而具有一定的吸附性能而被应用于天然产物的分离纯化[1]、染料[2]、苯酚类物质[3]以及重金属离子的吸附与富集[45].然而木粉的孔径较小，存在孔膜，且孔内有一些胶状物质，导致其比表面积并不高，吸附能力较低，因此，有关它用于吸附的报道并不多.为提高木粉等生物质材料的吸附效果，对其进行化学改性以改变其极性，或制成多孔材料以增加其比表面积来实现提高其吸附力是一种常用的方法[67].目前，对木粉的化学改性主要集中于通过木粉上的羟基氢连接更强的极性基团或配位基团，以增强其吸附能力，从而实现对溶液中金属离子或有机物的吸附分离[811].然而，木粉经改性（如乙酰化、苄基化和氰乙基化改性）后，因其亲水性降低、疏水性增加，有利于吸附极性低的有机物[1213]，但木粉的网状结构往往会出现一定程度的塌陷，使木粉原有的过渡孔或微孔变小[1415]，反而使比表面积减小而影响其吸附效率.因而需要通过某些手段对改性木粉进行造孔或扩孔来增加其比表面积，以提高其吸附能力.本研究以杉木粉为原料，通过苄基化反应获得苄基改性木粉，然后经高温水蒸汽爆破处理获得多微孔苄基木粉，探讨多微孔苄基木粉对铜离子的吸附性能，为利用废弃木粉等生物质材料处理含Cu2+等重金属离子废水提供新的思路[16].

1实验部分

1.1化学试剂、原料和仪器设备

化学试剂与原材料：氢氧化钠、五水硫酸铜、氯化苄、甲苯和乙醇均为分析纯；杉木粉为湖南产.

仪器和设备：Nicolet Avatar330红外光谱仪（美国热电公司），TAS986原子吸收光谱仪（北京普析通用仪器有限责任公司），JSM6380LV扫描电镜（日本电子公司），Bruker AMX400核磁共振仪（德国布鲁克仪器有限公司），HS12P高温高压染色机（江苏靖江市华泰染整设备有限公司），水浴恒温振荡器（金坛市良友实验仪器厂）.

1.2多微孔苄基木粉的制备

1.2.1脱脂木粉和苄基木粉的制备[17]将干杉木粉过20目筛子，以V（苯）/V（乙醇）=1∶1的混合液为溶剂，用索氏提取器回流提取6 h，再用蒸馏水提取6 h，抽干后，在80 ℃鼓风干燥箱中干燥12 h，得脱脂杉木粉.

在带有搅拌机、温度计和回流装置的250 mL的三口烧瓶中，加入20 g上述脱脂杉木粉、10 mol·L-1 的NaOH水溶液80 mL，搅拌均匀后让其润胀 30 min ，然后加入 80 mL 氯化苄和80 mL甲苯，搅拌下于125 ℃ 油浴中加热反应4 h，冷却并加入少量水，抽滤，分别用乙醇洗涤两次，水洗涤两次，再用乙醇洗涤两次，抽干后在60 ℃下干燥至恒重，得苄基化杉木粉，简称“苄基木粉”，置于干燥器中备用.

木粉苄基化改性的化学反应式如下：

Wood—OH+CH2Cl+NaOHWood—O—CH2+H2O+NaCl

1.2.2水蒸汽爆破处理苄基木粉在高温高压染色机的不锈钢杯中，加入200 mL水，0.5 mL表面活性剂OP10和20.0 g 苄基木粉，密闭后，以2 ℃·min-1升温到120 ℃，进行水蒸汽爆破处理120 min.然后冷却到室温，倒出木粉，减压抽滤，蒸馏水清洗2次，抽干，在55 ℃下真空干燥至恒重，得“多微孔苄基木粉”，保存于密闭塑料袋中，备用.

以脱脂木粉代替苄基木粉，按上述过程，同样制得“爆破处理脱脂木粉”，备用.

1.3多微孔苄基木粉对铜离子的吸收试验

取多微孔苄基木粉0.400 g于100 mL锥形瓶中，加入50.00 mL一定浓度的Cu2+溶液，调节摇床水温至设定温度，振荡一定时间，进行吸附试验，吸附完成后，冷却到室温，取样用原子吸收光谱法对溶液中Cu2+的含量进行分析.

1.4原子吸收光谱分析

1.4.1分析测试条件用原子吸收光谱仪测定含铜离子溶液的吸光度，测试条件为：工作电流 3 mA，谱带宽度 0.4 mm，负高压300.0 V，燃气流量1 500 mL·min-1，燃烧器高度6.0 mm，波长324.8 nm.

1.4.2铜离子标准溶液的配制和标准曲线的制作铜标准溶液配制：称取0.982 0 g CuSO4·5H2O溶入少量蒸馏水中，加入5滴浓硫酸，冷却后移入250 mL容量瓶，用蒸馏水定容得1 000 mg·L-1铜标准储备液.

铜标准曲线制作：分别移取1.00，2.00，3.00，4.00，5.00 mL 20 mg·L-1铜标准溶液到5个100 mL容量瓶中，用蒸馏水定容，得浓度分别为 0.20，0.40，0.60，0.80，1.00 mg·L-1的铜标准系列溶液，测定它们的吸光度.以吸光度A为纵坐标，浓度C为横坐标作图，建立A～C关系曲线.

1.4.3样品中铜离子浓度的测定移取吸附铜离子后的溶液1.00～5.00 mL，用蒸馏水定容到25 mL，测定其吸光度，在A～C标准曲线上查出相应的浓度，根据稀释倍数计算样品中铜离子浓度.