L-缬氨酸衍生物凝胶吸附废水中氟的研究

范玉兰 傅世利 杨 帆 欧阳圣昳 薛 珺 李 勋

(赣南师范大学化学化工学院，江西 赣州 341000)

L-缬氨酸，具有良好的生物兼容性和低细胞毒性，苝四甲酸二酰胺是一个共轭体系，具有较好的光电学性能和较强的稳定性，同时也使其具有较强的π-π堆积能力[1]。用L-缬氨酸衍生物制备成凝胶既能够利用氨基酸功能团良好的吸附性，又通过苝四甲酸二酰胺大π体系提高了其疏水性，便于吸附剂的分离、回收[2]。因此，利用L-缬氨酸衍生物具有两亲性以及较好生物兼容性的优点，其凝胶可被应用于吸附工业废水中的污染物[3]。本研究利用实验室合成的L-缬氨酸衍生物制备凝胶，通过吸附实验研究了吸附剂用量，吸附时间、吸附温度、废水初始pH值对废水中氟的吸附性能的影响。

1 实验部分

1.1 L-缬氨酸衍生物的合成

根据课题组的合成经验[4]，由以下合成路线图合成了L-缬氨酸衍生物。

图1 L-缬氨酸衍生物(NVPD)的合成路线图

1.2 L-缬氨酸衍生物凝胶的制备

在透明的样品瓶中，加入0.25 mmol的L-缬氨酸衍生物，加入10 mL体积比为THF：EtOH：H2O=3：3：4混合溶剂，得到悬浊液。室温下超声震荡，获得所需的水凝胶，最后冷冻干燥得到L-缬氨酸衍生物凝胶吸附剂VP(实验室具有成熟的制备凝胶的技术[5])。

1.3 吸附实验

准确移取100.00mL废水于锥形瓶中，准确称取一定量的VP加入废水中，控制反应温度、搅拌速度和废水初始pH值，反应一段时间后静置分层，吸取一定量的上清液，用氟离子计测量滤液中的氟浓度。

(1)吸附剂质量对废水中氟吸附的影响

在吸附时间40 min，吸附温度30℃，搅拌速度400rpm，废水初始pH值6.0的条件下，分别取VP为0.1g，0.2g，0.3g，0.4g，0.5g，考察VP用量对废水中氟含量的影响。

(2)吸附时间的影响

VP用量0.4g，吸附温度30℃，搅拌速度400rpm，废水初始pH值6.0的条件下，分别控制吸附时间为10min，20min，30min，40min，50min，60min，考察不同吸附时间VP对废水中氟含量的吸附情况。

(3)温度对吸附的影响

VP用量为0.4 g，吸附时间40min，搅拌速度300rpm，废水初始pH值6.0的条件下，考察吸附温度在20℃～70℃的范围内VP对废水中氟的吸附情况。

(4)废水初始pH值的影响

VP用量0.4g，吸附时间40min，吸附温度30℃，搅拌速度400rpm，考察废水初始pH值分别为3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0的条件下，VP对废水中氟的吸附情况。

2 结果与讨论

根据1.1和1.2制备VP凝胶，根据1.3进行吸附实验，L-缬氨酸衍生物凝胶对废水中氟的吸附性能如下：

2.1 吸附剂含量对吸附的影响

根据1.3中(1)进行吸附实验，其结果见图2。

图2 VP凝胶用量的优化

由图2可知，废水中的氟浓度随着VP用量的增大而降低，当VP用量从0g增大到0.5g时，废水中的氟浓度由46.86mg·L-1降低至8.97mg·L-1，继续增大VP的用量，废水中的氟浓度持续降低，小于工业废水中氟的排放标准[6]。因此，为节约试剂，选择VP用量为0.4g。

2.2 吸附时间的影响

根据1.3中(2)进行吸附实验，其结果见图3。

图3 吸附时间的优化

由图可知，随着吸附时间的延长，废水中的氟浓度由46.86 mg·L-1不断下降；当吸附时间为10 min时，氟含量降为35.37 mg·L-1，远远高于废水中氟的排放标准；当吸附时间为40 min时，废水中的氟含量为9.04 mg·L-1<10 mg·L-1，达到国家工业废水中氟的排放标准。继续增加吸附时间，废水中氟含量的下降趋势缓慢。因此，综合考虑选择吸附时间为40 min。

2.3 温度对吸附的影响

根据1.3中(3)进行吸附实验，其结果见图4。

图4 吸附温度的优化

由图4可知，随着吸附温度的升高，废水中氟含量先下降后升高。当温度达到30℃时，废水中的氟浓度降至9.12 mg·L-1，升高温度到40℃，废水中氟浓度基本不变，升高温度到50℃以后，溶液中氟含量逐渐升高，这可能是VP凝胶的密度和孔径改变导致的。因此，综合考虑选择吸附温度为30～40℃。

2.4 废水初始pH值的影响

根据1.3中(4)进行吸附实验，其结果见图5。

图5 废水初始pH值对吸附的影响

由图可知，废水的初始pH值对废水除氟效果的影响较大，随着废水初始pH值的提高，废水中的氟浓度先降低后趋于平稳再升高。当废水初始pH值为3.0时，废水中的氟浓度为19.73 mg·L-1，随着pH值的增大，氟含量逐渐降低，当pH为5.0～7.0时，氟含量均小于10 mg·L-1均满足排放标准。当废水初始pH值为8.0时，废水中的氟浓度为15.32 mg·L-1>10 mg·L-1，不满足排放标准。因此，选择废水初始pH值在5.0～7.0即可。

3 结论

本研究利用实验室合成的L-缬氨酸衍生物制备凝胶，通过吸附实验确定该凝胶对废水中氟的最佳吸附方式为：吸附时间40 min，吸附温度30 ℃，搅拌速度400rpm，废水初始pH值6.0的条件下进行。在该条件下吸附废水中氟，吸附率可达81%。