生物吸附剂填充柱分离重金属铅镉的方法

摘要

本发明涉及一种生物吸附剂填充柱分离重金属铅镉的方法，包括有以下步骤：采用湿法装柱的方法将羟基表面改性秸秆装入层析柱中，将含有重金属铅镉的废水经蠕动泵逆流至填充柱中进行动态吸附，回收流出液；然后用0.2mol/L的乙二胺四乙酸二钠洗脱液洗脱填充柱，回收洗脱液，通过监测流出液和洗脱液中铅离子和镉离子的浓度即可将铅镉分离，经洗脱后的填充柱可反复使用。本发明的有益效果是：（1）羟基表面改性的秸秆填充柱对重金属铅镉具有很大的吸附容量，且能有效的分离铅镉；（2）生物吸附剂来源广泛，廉价易得；（3）填充柱制作方法简单，操作方便；（4）吸附饱和的填充柱得到综合回收利用，可降低废水处理的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及废弃秸秆应用和重金属分离领域，尤其涉及一种生物吸附剂填充柱分离重金属铅镉的方法。

背景技术

重金属具有毒性大，在环境中不易被代谢，易被生物富集并有生物放大效应等特点，不但污染水环境，也严重威胁人类和水生生物的生存。冶金废水是含重金属离子废水的主要来源之一。这些未经处理的含镉、铅、铜等重金属的废液一经排放，将会对环境造成严重污染，并直接影响到人类的生产和生活。含重金属离子的冶金污水处理方法很多, 主要有共沉淀法、絮凝法、离子交换法、溶剂萃取法、吸附法、膜分离法等，但这些方法存在处理成本较高、操作复杂、二次污染严重等问题，因此寻求一种高效、廉价的冶金废水的处理方法迫在眉睫。

近年来, 生物吸附法因具有原材料来源丰富、处理成本低、无毒、二次污染小、易被生物降解等优点而备受关注。生物吸附法是利用某些生物体本身的化学结构及成分特性，吸附溶于水中的化学污染物，通过固液两相分离来去除水溶液中污染物的方法。生物吸附法作为一种新兴的重金属污水处理技术，主要是以废弃生物体作为吸附材料。作物秸秆是成熟农作物茎叶（穗）部分的总称，通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花和其它农作物在收获籽实后的剩余部分。这些作物秸秆来源丰富，简单易得，是一种具有多用途的可再生的生物资源。然而未经改性的这些生物吸附剂存在吸附容量低，吸附选择性差，这些问题的存在限制了生物吸附剂的在实际废水处理中的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种生物吸附剂填充柱分离重金属铅镉的方法，其吸附选择性好、操作简便、应用范围广、利用率高。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：生物吸附剂填充柱分离重金属铅镉的方法，包括有以下步骤：采用湿法装柱的方法将羟基表面改性秸秆装入层析柱中，将含有重金属铅镉的废水经蠕动泵逆流至填充柱中进行动态吸附，回收流出液；然后用0.2 mol/L的乙二胺四乙酸二钠洗脱液洗脱填充柱，回收洗脱液，通过监测流出液和洗脱液中铅离子和镉离子的浓度即可将铅镉分离，经洗脱后的填充柱可反复使用。

按上述方案，所述的羟基表面改性秸秆的制备方法是：

1）将农作物秸秆干燥粉碎，过筛，得秸秆粉末；

2）将羟基表面改性剂加入N，N-二甲基甲酰胺中，在密闭条件下超声溶解，完全溶解后加入秸秆粉末，其中，秸秆粉末与羟基表面改性剂按质量比为1：（1~1.5），于70 ℃反应4 h后，离心，用去离子水、0.1 mol/L NaOH溶液，洗涤产物数次，离心后将产物置于烘箱中60 ℃干燥12 h得羟基表面改性秸秆。

按上述方案，所述的农作物秸秆为玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆或高粱秸秆。

按上述方案，所述的羟基表面改性剂为均苯四甲酸二酐或乙二胺四乙酸二酐。

本发明的基本反应原理：以玉米秸秆为例，重金属离子在改性的玉米秸秆吸附剂上通过离子交换完成吸附过程。反应过程如下所示，R表示玉米秸秆，

本发明的有益效果是：（1）羟基表面改性的秸秆填充柱对重金属铅镉具有很大的吸附容量，且能有效的分离铅镉；（2）生物吸附剂来源广泛，廉价易得；（3）填充柱制作方法简单，操作方便；（4）吸附饱和的填充柱可通过乙二胺四乙酸二钠洗涤再生，使资源得到综合回收利用，可降低废水处理的成本。

附图说明

图1为实施例1的Pb²⁺、Cd²⁺竞争吸附穿透曲线（C₀表示重金属离子溶液初始浓度，mg/L；C_t表示流出液中重金属离子的浓度，mg/L）；

图2为实施例1的Pb²⁺、Cd²⁺洗脱曲线（C_t表示流出液中重金属离子的浓度，mg/L）。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

1. 制备本发明的生物吸附剂填充柱：将15.0 g均苯四甲酸二酐加入500 mL N，N-二甲基甲酰胺中，在密闭条件下超声溶解，完全溶解后加入10.0 g经干燥粉碎的玉米秸秆，于70℃反应4 h后离心，用去离子水、0.1 mol/L NaOH溶液，洗涤产物数次，离心后将产物置于烘箱中60 ℃干燥12 h得羟基表面改性玉米秸秆。采用湿法装柱的方法将1.5 g羟基表面改性玉米秸秆填充到层析柱中（内径1.0 cm，长度20 cm）制成吸附填充柱。

2. 应用实例：生物吸附剂填充柱对Pb²⁺、Cd²⁺的吸附分离

配置含Pb²⁺和Cd²⁺各100 mg/L的模拟废水，在室温下通过蠕动泵将模拟废水逆流至填充柱中，控制蠕动泵流速为25 rpm，进行吸附过程，回收流出液，然后用0.2 mol/L的乙二胺四乙酸二钠溶液洗脱层析柱，通过监测流出液和洗脱液中铅离子和镉离子的浓度即可将铅镉分离，经洗脱后的填充柱可反复使用。

由图1可以看出，吸附过程中，从开始到850min流出液中只有Cd²⁺，而如图2的洗脱过程中，50min之后流出液中只有Pb²⁺，由此即可将Pb²⁺和Cd²⁺分离。

实施例2

1. 制备本发明的生物吸附剂填充柱：将15.0 g均苯四甲酸二酐加入500 mL N，N二甲基甲酰胺中，在密闭条件下超声溶解，完全溶解后加入10.0 g经干燥粉碎的玉米秸秆，于70℃反应4 h后离心，用去离子水、0.1 mol/L NaOH溶液，洗涤产物数次，离心后将产物置于烘箱中60 ℃干燥12 h得改性玉米秸秆。采用湿法装柱的方法将3.0 g改性玉米秸秆填充到层析柱中（内径1.5 cm，长度30 cm）制成吸附填充柱。

2. 应用实例：生物吸附剂填充柱对Pb²⁺、Cd²⁺的吸附分离

配置含Pb²⁺ 200 mg/L ，Cd²⁺ 100 mg/L的模拟废水，在室温下通过蠕动泵将模拟废水逆流至填充柱中，控制蠕动泵流速为30 rpm，进行吸附过程，回收流出液，然后用0.2 mol/L的乙二胺四乙酸二钠溶液洗脱层析柱，通过监测流出液和洗脱液中铅离子和镉离子的浓度即可将铅镉分离，经洗脱后的填充柱可反复使用。

实施例3

1. 制备本发明的生物吸附剂填充柱：将15.0 g乙二胺四乙酸二酐加入500 mL N，N二甲基甲酰胺中，在密闭条件下超声溶解，完全溶解后加入10.0 g经干燥粉碎的玉米秸秆，于70℃反应4 h后离心，用去离子水、0.1 mol/L NaOH溶液，洗涤产物数次，离心后将产物置于烘箱中60 ℃干燥12 h得改性玉米秸秆。采用湿法装柱的方法将4.0 g改性玉米秸秆填充到层析柱中（内径2 cm，长度30 cm）制成吸附填充柱。

2. 应用实例：生物吸附剂填充柱对Pb²⁺、Cd²⁺的吸附分离

配置含Pb²⁺250 mg/L，Cd²⁺ 100 mg/L的模拟废水，在室温下利用蠕动泵将模拟废水逆流至填充柱中，控制蠕动泵流速为35 rpm，进行吸附过程，回收流出液，然后用0.2 mol/L的乙二胺四乙酸二钠溶液洗脱层析柱，通过监测流出液和洗脱液中铅离子和镉离子的浓度即可将铅镉分离，经洗脱后的填充柱可反复使用。