磁性球形改性纤维素的制备及应用



磁性球形改性纤维素的制备及应用

刘心中1，孙 佳2，黄永捷2，李舒帆1，卢伟帅1，黄婉瑜1

（1.福建工程学院生态环境与城市建设学院，福州 350108；2.福州大学环境与资源学院，福州 350108）

摘 要:通过添加凹土和硅溶胶，结合成型技术制备粒径为3～5mm材料，应用于土壤中镉污染的修复，最佳吸附条件：土壤含水率为20%，pH值为5，磁性球形改性纤维素的添加量为7.5%，吸附时间10d，对污染土壤中Cd的去除率达75.01%。

关键词:土壤污染；磁性改性纤维素；重金属镉；去除率

1　引言

随着工业和农业在上世纪的快速发展，大量污染物通过各种渠道污染环境，导致环境质量严重恶化，尤其是重金属对土壤造成的污染，形势极其严峻。由于重金属污染具有累积性、长期性及污染源的多样性等特点，由重金属造成的土壤污染是目前人类社会面对的污染面积最广、亟待解决的严重环境问题之一。截至目前，数以千万公顷的土壤被农药和重金属所污染，污染的耕地面积占总耕地面积的10%以上，且经济越发达的地区污染越严重，全国每年有1500万吨的粮食受到重金属的污染，造成的粮食减产数量高达数千万吨，导致的经济损失至少有250亿元[1，2]。重金属进入土壤后，经过溶解、沉淀、络合等各种反应，以不同的化学形态存在，并表现出不同的活性[3]。

本文将粉末状磁性改性纤维素与凹土及硅溶胶结合，在成型技术的基础上，制备磁性球形改性纤维素，应用于土壤中镉污染的修复。本研究将讨论土壤的物化性质、吸附时间等相关因素对球形磁性改性纤维素对土壤中重金属镉去除率的影响规律。

2　实验部分

2.1 实验试剂和仪器

实验过程主要试剂为硅溶胶、凹凸棒土、CdCl2、硝酸、盐酸、氢氟酸、高氯酸。实验过程中所用到的主要仪器有原子吸收分光光度计、水泥砂浆搅拌器、恒温磁力搅拌器。

2.2 磁性球形改性纤维素的制备

制备方法为：先将粉末状磁性纤维素和凹凸棒土按配比混合，后将无机黏结剂加入其中，充分搅拌；将其放入鼓风干燥箱中干燥，间隔15min搅拌一次，待近干的时候取出，在模具中先呈现规则柱状，最后手工揉捏加工为球形，直径在3～5mm。球形成型磁性纤维素的制备工艺如图1所示。

图1　球形成型磁性纤维素制备流程图

2.3 污染土壤的制备

将自然风干的土壤至恒重，加入氯化镉进行污染处理，搅拌完全后将其取出，放置在较大的容器中风干，平衡2周后装盆，形成镉单一污染土壤。每盆1kg，然后分别以土壤含水率、土壤pH值、材料添加量及吸附时间为变量进行单因素实验，每个实验重复处理3次，对该材料对土壤中重金属镉的吸附去除率进行计算。

2.4 球形磁性改性纤维素对自备Cd2+污染土壤吸附研究

2.4.1 土壤含水率对重金属Cd2+的吸附效果影响

研究土壤含水率对球形磁性改性纤维素吸咐去除土壤中重金属Cd2+效果的影响，其中土壤pH值为5，球形磁性改性纤维素的投加量为7.5%，吸附反应时间为10d。污染土壤的含水率的变化范围为：5%、10%、15%、20%、25%、30%。土壤含水率对Cd2+去除率的影响见图2。

图2　土壤的含水率对Cd2+去除率的影响

由图2可见，球形磁性改性纤维素对土壤中Cd2+去除率随着土壤含水率的增大而增大，含水率从5%上升到20%时，Cd2+的去除率上升了42.15%，是因为土壤的含水率越高，其二级吸附位点就越多，也越有利于Cd2+离子向纤维素微球表面迁移。但含水率继续由20%上升到30%时，去除率仅仅上升了6.87%，增速大大减缓，这是由于磁性球形改性纤维素易被土壤包裹，增大了回收难度。因此，过高的含水率不利于实际操作，故将土壤的含水率控制为20%。

2.4.2 土壤pH对重金属Cd2+的吸附效果影响

研究土壤pH值对球形磁性改性纤维素吸咐去除土壤中重金属Cd2+效果的影响，其中土壤含水率为20%，球形磁性改性纤维素的投加量为7.5%，吸附反应时间为10 d。污染土壤的pH值的变化范围为：1、3、5、7、9、11。土壤pH值对Cd2+去除率的影响见图3。

由图3可知，土壤的pH值从1.0上升到5.0左右时，球形磁性改性纤维素对重金属镉的去除率呈上升的趋势。这是因为当土壤中的pH值较低时，土壤中的H+会与Cd2+竞争吸附位点，造成Cd2+在球形磁性改性纤维素上的吸附位点减少。随着pH的升高，Cd2+的去除率却呈下降的趋势，是因为当土壤的pH值较高时，金属离子在土壤中发生化学反应而产生氢氧化物沉淀，重金属的氢氧化物沉淀较吸附剂而言与土壤有更强的亲和力。观察曲线走势后，选定土壤的pH值为5.0，Cd2+去除率达到最大值75.01%。

图3　土壤pH值对Cd2+去除率的影响

2.4.3 球形磁性改性纤维素的投加量对重金属Cd2+的吸附效果影响

研究球形磁性改性纤维素的添加量对球形磁性改性纤维素吸附土壤中重金属Cd2+效果的影响，其中土壤含水率为20%，土壤pH值为5，吸附反应时间为10 d。球形磁性改性纤维素的投加量变化范围为：1.5%、3.5%、5.5%、7.5%、9.5%、11.5%。球形磁性改性纤维素添加量对Cd2+去除率的影响见图4。

图4　球形磁性改性纤维素添加量对Cd2+去除率的影响

由图4可看出，在一定范围内，随着球形磁性改性纤维素添加量的增多，其对重金属Cd2+的去除率增加明显，并在添加量为7.5%附近出现最大值75.01%，但是，通过计算发现增大球形磁性改性纤维素的添加量虽然可以提高去除率，但却降低了吸附容量，并没有使球形磁性改性纤维素发挥最优投入产出比。因此，从经济性和实用性的角度考虑，选定球形磁性改性纤维素的添加量为7.5%。

2.4.4 吸附时间对重金属Cd2+的吸附效果影响

研究吸附反应时间对球形磁性改性纤维素吸附土壤中重金属Cd2+的效果的影响，其中土壤含水率为20%，土壤pH值为5，球形磁性改性纤维素的投加量为7.5%。吸附反应时间的变化范围为：2d、4d、6d、8d、10d、12d。吸附反应时间对Cd2+去除率的影响见图5。

图5　吸附反应时间对Cd2+去除率的影响

由图5可知，反应天数的增多，球形磁性改性纤维素对重金属Cd2+的去除率呈近似线性增长。在初始阶段，重金属主要在球形磁性改性纤维素的表面发生吸附，球形磁性改性纤维素对镉的去除率从29.46%上升到67.13%。之后的吸附速度慢慢变缓，这是因为金属离子扩散到了球形磁性改性纤维素的孔径内，重金属在纤维素表面的传质速度逐渐变慢导致的。另外由于吸水导致的强度降低，导致球形颗粒膨胀松散，材料的吸附能力也受到影响。10天之后吸附反应达到平衡，这时对镉的去除率达到75.01%。

3　结语

本文以自制的磁性球形改性纤维素作为土壤中重金属的吸附剂，通过单因素实验研究了土壤的理化性质和磁性球形改性纤维素的添加量对吸附效果的影响，得出以下结论：

（1）从实用性的角度出发，磁性球形改性纤维素对镉污染土壤的最佳吸附条件为：土壤的pH值为5，土壤的含水率为20%，磁性球形改性纤维素的添加量为7.5%、吸附时间为10天。在最佳吸附条件下，磁性球形改性纤维素对污染土壤中Cd2+的去除率可达75.01%。

（2）土壤的pH值过高或过低都不利于磁性球形改性纤维素对土壤中重金属离子的吸附去除。土壤的pH值较低，土壤中的H+会与Cd2+竞争吸附位点，但若pH值太高，重金属离子在土壤中发生化学反应，产生氢氧化物沉淀，增加了土壤粒子对重金属的吸附，因此都不利于磁性球形改性纤维素对重金属离子的吸附。

（3）在一定范围内，土壤的含水率越高，磁性球形改性纤维素对土壤中重金属的去除率越大，但是含水率过高，磁性球形改性纤维素易被土壤包裹，增大回收难度。因此，过高的含水率不利于实际操作，故本文将土壤的含水率控制在20%。

参考文献：

[1]韦朝阳，陈同斌.重金属超富集植物及植物修复技术研究进展[J].生态学报，2001，21（7）：1197-1203.

[2]骆永明，滕应.我国土壤污染退化状况及防治对策[J].土壤，2006，38（5）：505-508.

[3]魏树和，周启星.重金属污染土壤植物修复基本原理及强化措施探讨[J].生态学杂志，2004，23（1）：65-72.

Preparation and Application for Modified Fibrin of Magnetism Sphericity

LIU Xin-zhong1, SUN Jia2, HUANG Yong-jie2, LI Shu-fan1, LU Wei-shuai1, HUANG Wan-yu1

(1.Institute of Bio-environment and Urban Construction, Fujian Engineering College, Fuzhou 350108;

2. Institute of Environment and Resources of Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Abstract:The paper points out the best adsorption condition: the containing water rate in the soil is 20%, pH value is 5, addition quantum of modified fibrin of magnetism sphericity is 7.5%, adsorption time is at 10d, the removal rate of CD in the polluted soil reaches at 75.01%.

Keywords:soil pollution; modified fibrin of magnetism; heavy metal cadmium; removal rate

文章编号:1006-5377（2015）09-0037-03

文献标志码:B

中图分类号:X53