基于绿色化学策略的以甘蔗渣为原料的高吸水树脂的合成及其对Pb2+离子脱附性能的研究

吴海霞 李继萍 付渊 王晓莉 王玉兰

摘要：绿色原料、绿色试剂、低耗低温反应条件、有害物质处理、绿色可降解低污染化学产品、避免二次污染、废物利用等是绿色化学的主要研究内容。以可再生农业废弃物甘蔗渣为主要原料，经醚化改性，与无毒单体丙烯酸，在价低效高、无毒、过程易控的过硫酸钾引发剂作用下聚合制备了一种高吸水树脂。通过红外光谱、元素分析、扫描电镜对此高吸水树脂进行了表征，并初步研究了该高吸水树脂对Pb2+的脱附性能。结果表明：甘蔗渣经醚化改性后与丙烯酸发生聚合反生成了高吸水树脂，该高吸水树脂在酸性溶液中对Pb2+离子有脱附作用。

关键词：绿色化学  甘蔗渣  高吸水树脂  Pb2+离子

中图分类号：O636.9     文献标识码：A

引言

绿色化学是环境友好化学、清洁化学，它是全球环境危机下产生的新兴化学领域。自1991年美国化学会首次提出绿色化学概念以来，获得了迅速的发展。其研究领域包括绿色原料、绿色试剂、低耗低温反应条件、绿色可降解低污染化学产品、污染物处理、绿色合成技术、有害物质监控、废弃物质利用等多个方面[1]。

近年来，工业废水中重金属污染对生态环境及人类健康造成了极大威胁。高吸水树脂中含有大量的羟基、羧基、磺酸基和酰胺基，这些基团对重金属离子有很强的螯合作用。因此，高吸水树脂可以用作金属离子的螯合剂，对金属离子进行富集、分离和回收[2-3]。Pb是危害最大的重金属之一，Pb2+在活细胞中累积会破坏许多蛋白质的代谢功能。废水中Pb2+传统的处理方法主要有：沉淀法、溶剂萃取法、离子交换法等，但这些方法成本较高、效果不稳定、容易产生二次污染[4]。高吸水树脂作为一种新型功能高分子材料，在重金属离子的吸附方面有一系列特殊功能，且高效、价格低廉，具有巨大的开发潜力[5]。甘蔗渣是可再生的农业废弃物，廉价易得，是巨大的绿色资源宝库。利用甘蔗渣及其衍生物产品合成高吸水树脂，吸附处理低浓度重金属废水效果好、成本低、不造成二次污染，近年来引起国内外学者的广泛关注[6]。

本文以可再生农业废弃物甘蔗渣为原料合成了一种高吸水树脂。研究中关注使用原料、绿色试剂、低耗合成、避免二次污染等绿色化学问题。如选用的单体丙烯酸，无毒，接枝聚合物不需要皂化水解，能简化合成工艺;选用无毒、价格低廉的过硫酸钾作引发剂，不但引发效率高、重现性好，而且在反应过程中无温度的剧烈变化，反应平稳，易于控制。如何使金属从吸附剂上脱附并再生吸附剂是水处理中十分重要的一个环节，它可使吸附剂得以重复利用并能回收重金属，避免二次污染。论文初步研究了高吸水树脂对Pb2+离子的脱附性能，以期为拓展高吸水树脂的应用领域和废水中重金属离子的研究提供参考。

1 实验部分

1.1主要原料与试剂

丙烯酸，氢氧化钠，过硫酸钾，亚硫酸氢钠，N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，上述試剂均为分析纯;甘蔗渣，自制。

1.2主要仪器设备

电子分析天平，电动搅拌器，数显恒温水浴锅，鼓风干燥箱，元素分析仪，红外光谱仪，（KBr压片），扫描电子显微镜;原子吸收光谱仪。

1.3以蔗渣为原料的高吸水树脂的合成[7-8]

以甘蔗渣为主要原料、水为溶剂进行醚化改性;在装有电动搅拌的100ml三口烧瓶中加入一定量的醚化改性甘蔗渣，加去离子水，搅拌混合均匀;加入丙烯酸、过硫酸钾、N，N'-亚甲基双丙烯酰胺，室温下搅拌混合均匀;氮气保护下水浴逐渐升温加热，使醚化改性甘蔗渣纤维素与丙烯酸反应至溶液粘稠，停止搅拌;继续升温，反应物在沸水浴中保温约2h;将产物取出剪成小块置于表面皿中于60℃烘箱中烘干得固体产品;将其粉粹后即得高吸水树脂。

1.4 高吸水树脂脱附Pb2+离子的测试方法

配制pH=1的醋酸、盐酸、硫酸溶液作为Pb2+离子的脱附剂。将吸附Pb2+离子后的树脂放到脱附剂中，根据下式计算脱附率。

脱附率%= [（Cd×Vd ）/（w×qe1000）]×100

式中Cd为脱附后溶液浓度，mg /L;Vd为脱附溶液体积，ml;w为高吸水树脂质量，g;qe为高吸水树脂的吸附量，mg/g。

2 结果与讨论

2.1 高吸水树脂的结构表征

对合成的高吸水树脂做了如下表征：红外光谱（IR）、元素分析、扫描电镜。

2.1.1红外光谱（IR）

对高吸水树脂进行了红外光谱分析，见图1。

由图1可知：在2500-3500cm-1处有宽锋，说明是羧酸中羟基O-H的伸缩振动; 2926cm-1左右的是-CH3和-CH2-中C-H伸缩振动吸收峰;在1630cm-1左右-COO-的不对称伸缩振动吸收峰;1401 cm-1左右的O-H和C-H面内弯曲振动吸收峰;1050-1150cm-1左右的吸收峰是伯、仲醇C-O的伸缩振动和醚键C-O-C的不对称伸缩振动吸收峰;600-1000cm-1是C-H面外弯曲振动吸收峰。红外谱图证明甘蔗渣经醚化改性后与丙烯酸发生了聚合反应。

2.1.2元素分析

经Vario EL cube型元素分析仪测定，高吸水树脂的C、H元素含量分别为36.25%，4.273%。

2.1.3扫描电镜

醚化改性甘蔗渣不同放大倍数的扫描电镜图如图2。

由图2可知，高吸水树脂的表面不平整并且有大量皱褶、形态均不规则、含有类似空洞和管状的结构，这些都说明高吸水树脂具有比表面积大、相互交联的网络结构。

2.2高吸水树脂对Pb2+离子的脱附性能

分别称取一定质量吸附Pb2+溶液后的高吸水树脂，依次放入装有pH=1的醋酸、盐酸、硫酸脱附剂的烧杯中，测试高吸水树脂对Pb2+离子的脱附性能。结果为高吸水树脂在三种溶液中对Pb2+离子的脱附率依次为1.80%，4.80%，4.25%，Pb2+离子均发生了脱附作用，在盐酸中的脱附性能最好。

3 结论

以可再生农业废弃物甘蔗渣为主要原料，经醚化改性，以无毒丙烯酸为单体，在价格低廉、没有毒性的过硫酸钾引发剂的作用下聚合生成了一种高吸水树脂。通过红外光谱、元素分析、扫描电镜对此高吸水树脂进行了表征，并对该高吸水树脂对Pb2+的吸附性能进行了初步研究。结果表明：甘蔗渣经醚化改性后与丙烯酸聚合生成高吸水树脂，该高吸水树脂在酸性溶液中对Pb2+离子有脱附作用。

参考文献

[1]王敏，宋志国等.绿色化化工技术[M].北京：化学工业出版社，2017

[2]邹新禧.超强吸水剂（第二版）[M].北京：化学工业出版社，2002

[3]VELI S，ALYUZ B. Adsorption of copper and zinc from aqueous so-lutions by using natural clay[J].Journal of Hazardous Materials，2007，149（ 1）：226-233.

[4]王路星，周新涛，罗中秋等.农林废弃物吸附废水中重金属Pb2+的性能及机理研究进展[J].材料导报，2020，34（9）：17115-17123

[5]余响林，胡正杰，程冬炳等.高吸水树脂对重金属盐溶液的吸液及吸附性能[J].湖北大学学报（自然科学版），2011，33（4）：528-532

[6]熊佰炼，张进忠，刑赜.甘蔗渣处理重金属废水的研究进展[J].中国资源综合利用，2008，26（8）：19-22

[7]以甘蔗渣为原料制备羧甲基纤维素的方法[P].温国华，李茹，李继萍，柳青，陈超，郭玉婷，王佳钰，苗秀秀，付渊，蔺剑波，赵红霞.中国专利：CN104163895A，2014-11-26

[8]以羧甲基甘蔗渣制备高吸水树脂的方法[P].温国华，郭玉婷，杨永启，冯凯，刘广华，韩宗壯，王晨雪，胡振华，巴音其木格，王丹，孙萌.中国专利：CN104163895A，2014-11-26

基金项目：内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目（项目编号：NJZY18279）。

作者简介：吴海霞（1978-），山西省朔州人，硕士研究生，研究方向为有机合成，分析化学。