马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶吸附剂对Cr3+、Cu2+、Pb2+、Ni2+的吸附性能及机理

摘要

[目的]探究马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶吸附剂对Cr3+、Cu2+、Pb2+、Ni2+的吸附性能,阐明马尾松树皮和纳米木质纤维素气凝胶吸附重金属离子的相关机理,以更好地利用农林废弃物马尾松树皮制备出成本低廉、便于产业化的生物质吸附材料,为其大规模应用奠定理论基础.[方法]将抽提后的马尾松树皮绝干样品在80°C水浴加热搅拌条件下使用对甲苯磺酸溶液处理1 h,反应结束后趁热过滤并透析滤渣.滤渣样品通过微射流均质机20次,得到马尾松树皮纳米木质纤维素.固含量2％的马尾松树皮纳米木质纤维素样品-20°C冷冻120 min后进行冷冻干燥,得到马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶.研究马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶吸附剂对Cr3+、Cu2+、Pb2+、Ni2+的最大吸附容量(qe)以及其等温吸附特性、吸附热力学特性和吸附动力学特性.[结果]马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶吸附剂对Cr3+、Cu2+、Pb2+和Ni2+的最大吸附容量(qe)分别为132.7、130.4、186.7和123.4 mg·g-1.马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶吸附Cr3+符合Temkin等温吸附(R2=0.9901),且为不均匀的单层吸附.吸附热力学特性研究表明,马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶吸附Cr3+的过程符合热力学规律,R2=0.9929,且为非自发复合吸附过程,升高温度对吸附过程的促进作用与放热反应对吸附过程的抑制作用甚至会出现相互抵消的情况.马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶吸附Cr3+符合准二级动力学模型(R2=0.9910),其吸附Cr3+的速率主要受化学作用而非物质传输步骤影响,特别是二者之间电子的化学分享或共价键交换等过程.[结论]基于廉价的生物质——马尾松树皮制备的马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶可作为重金属离子的有效吸附剂,表现出较为理想的吸附容量,静态吸附涉及的条件较为简单,具有一定的可试验推广性,马尾松树皮基吸附剂的开发也可推动廉价生物质的资源化利用.马尾松树皮和纳米木质纤维素气凝胶2种吸附剂的吸附性能稳定可靠,有望通过优化工艺提升性能;但是需要基于大规模甚至中试规模试验才能检验其有效性,进而指导工艺优化,得到性能更加出色的马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶作为重金属离子吸附剂.