保水剂对硫酸铜溶液吸收性能的研究

第 39 卷 � 第 3 期 2011 年 3 月 西北农林科技大学学报(自然科学版) Journal of No rthwest A& F Univer sity( Nat. Sci. Ed. ) Vo l. 39 No. 3 Mar . 2011 保水剂对硫酸铜溶液吸收性能的研究 * 戴 � 欣,王百田 (北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京 100083) [摘 � 要] � �目的 探索保水剂对硫酸铜溶液的吸收性能,明确其对铜离子的吸附效果。�方法 采用对比试验 法,研究吸水时间为 3 h 时不同保水剂用量( 0, 2. 5, 5. 0, 7. 5, 10. 0 g/ kg)对 20 mmol/ L CuSO4 溶液、吸水时间为 3 h 时 5. 0 g/ kg 保水剂对不同浓度( 0, 10, 15, 20, 25 mmol/ L ) CuSO4 溶液以及不同吸水时间( 1, 3, 6, 16, 22 h)下 5. 0 g / kg 保水剂对 20 mmol/ L CuSO4 溶液的吸水倍率、铜离子去除率和二次吸水倍率 3 个主要指标的影响。�结果 在吸水 时间为 3 h、CuSO4溶液浓度为 20 mmo l/ L 的条件下,保水剂用量的增加使其吸水倍率和二次吸水倍率略有增大, 同 时铜离子去除率也明显提高。在吸水时间为 3 h、保水剂用量为 5. 0 g / kg 时, CuSO4 溶液浓度的增加可以显著降低保 水剂的吸水倍率和铜离子去除率,同时二次吸水倍率也有一定程度降低, 但仍有较好的吸水效果。在保水剂用量为 5. 0 g/ kg, CuSO4溶液浓度为 20 mmo l/ L 时,吸水时间对保水剂的吸水倍率、铜离子去除率和二次吸水倍率均有明显 影响,吸水时间为 3 h 左右时,保水剂吸水倍率基本达到最大, 以后随着吸水时间的延长,其吸水倍率反而明显降低; 铜离子去除率一直呈增加趋势,而二次吸水倍率却显著减小, 至 22 h 前后已基本丧失吸水能力。�结论 保水剂是一 种较为理想的去除重金属铜离子的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ,且保水剂用量越大、吸水时间越长, 对铜离子的去除效果越好。 [关键词] � 保水剂; CuSO 4 溶液;吸水倍率; 铜离子去除率 [中图分类号] � X833 [文献标识码] � A [文章编号] � 1671�9387( 2011) 03�0146�04 Effects of CuSO4 solution on water absorbent ability of super absorbent polymers DAI Xin, WANG Bai�t ian ( K ey L ab of S oi l & Water Conse rvat ion De sert i f i cat ion Comba ting Minist ry of E ducation , Bei j ing Forest ry Univ e rsi ty , B eij ing 100083, China) Abstract: �Object iv e T he r esearch w as made in order to discover the abso rbent ef fects of super ab� sorbent po lymers on the heavy metal ions. �Method T he experiment studied the ef fects of w ater absorbent rate, copper ion removal and secondary w ater absorbent rate w ith dif ferent dosages of super abso rbent po l� ymers( SA P) ( 0, 2. 5, 5. 0, 7. 5, 10. 0 g/ kg ) fo r 20 mmol/ L CuSO 4 solut ion during 3 h, different concentra� t ions of CuSO 4 so lut ions ( 0, 10, 15, 20, 25 mmo l/ L ) for the amount o f 5. 0 g/ kg dosage of SAP dur ing 3 h and dif ferent t ime ( 1, 3, 6, 16, 22 h) for 5. 0 g/ kg dosage o f SAP in 20 mmol/ L CuSO 4 solution. �Result The r esults show ed that under the same condit ions, w ith the increase of super abso rbent polymers, the w a� ter absor bent r ate and the secondary w ater absorbent r ate slight ly increased. At the same t ime, the removal rate of copper ions signif icant ly improved. M eanwhile, with the increase o f the concentrat ion o f CuSO 4 solu� t ions, the w ater absorbent rate and copper ion removal rate signif icant ly reduced, the secondary w ater ab� sorbent rate reduced slight ly, and the SAP can st ill hold w ater. Dif ferent t ime for absor bent af fected the w ater absor bent rate, copper ion removal and secondary w ater absorbent rate obviously . The w ater absorb� * [收稿日期] � 2010�08�03 [基金项目] � 国家! 十一五∀科技攻关项目! 困难立地工程造林新材料、新产品及应用技术∀ ( 2006BAD03A0301) [作者简介] � 戴 � 欣( 1986- ) ,男,河北易县人,在读硕士,主要从事生态环境工程研究。E�mail : myan gell ing@ sina. com [通信作者] � 王百田( 1958- ) ,男,陕西富平人,教授,主要从事生态环境工程研究。E�mai l: w bait ian@ bjfu. edu . cn ent rate reached the maximum at 3 h, after that, it r educed evident ly. How ever, the copper ion removal r ate w as alw ays increasing and the secondary w ater abso rbent rate reduced obviously. After 22 h for abso rbent, the SAP already lo st the ability to hold w ater. �Conclusion T he super absor bent polymer s is an ideal mate� r ial to r emove copper, and the gr eater amount of super absorbent polymers is used, and the mo re t ime fo r absorbing, the better the removal of copper ions is. Key words: super abso rbent polymers; CuSO 4 so lut ion; w ater absorbent rate; removal rate of Cu2+ � � 保水剂是一种功能性高分子聚合物, 能吸收相 当于其自身质量 100~ 500倍以上的水分。由于保 水剂分子结构交联, 分子网络所吸收的水分不会轻 易被物理方法挤出, 因此保水剂具有较强的保水性 能,并可以多次反复释放和吸收水分[ 1�2] 。作为一类 新型功能性材料, 保水剂可广泛应用于农、林、水利 和沙产业领域, 具有抗旱保苗、增产增收、改良土壤, 防风固沙、水土保持等多种功能,在国内外已逐渐得 到广泛应用[ 2�5]。 目前,有关保水剂吸水能力的研究多集中在去 离子水、生理盐水、人工尿等方面 [ 6�10] , 近年来研究 领域逐渐扩展到保水剂与氮磷钾等肥料的交互作用 上[ 11�15] ,然而关于重金属离子对保水剂吸水能力影 响的研究较少。本研究探讨了保水剂对硫酸铜溶液 的吸收作用,以期明确其对铜离子的吸收效果, 为将 保水剂应用于铜污染土壤的修复提供理论依据。 1 � 材料与方法 1. 1 � 试验材料 药品:分析纯 CuSO 4 # 5H 2O,分析纯 NaOH。 保水剂: 主要成分为聚丙烯酰胺 ( 65% ~ 66% ) + 丙烯酸钾( 23%~ 24% ) + 水( 8%~ 10% ) + 交联剂( 0. 5%~ 1. 0%) , 呈白色颗粒晶体状(法国生 产)。该产品在土壤中的吸水倍率保持在 100倍左 右,使用寿命较长,在土壤中的蓄水保墒能力可维持 5年左右,但其吸水能力会逐年降低。 1. 2 � 测定项目及方法 在预备试验中发现, 当硫酸铜溶液浓度超过 25 mmo l/ L 时,保水剂的相对吸水倍率低于 1%; 而当 硫酸铜溶液浓度低于 10 mmol/ L 时, 用氢氧化钠过 滤沉淀法所得固体质量太小, 误差较大,因此选择硫 酸铜溶液浓度时,最大值设置为25 mmol/ L ,最小值 设置为 10 mmo l/ L。在本试验中, CuSO4 浓度分别 设置为 0, 10, 15, 20和25 mmol/ L ;保水剂用量设置 为 0, 2. 5 ( 0. 625 0 g ) , 5. 0 ( 1. 250 0 g ) , 7. 5 ( 1. 875 0 g) 和 10. 0 g / kg ( 2. 500 0 g) ;由于吸水时 间可显著影响保水剂的吸水倍率和二次吸水倍率, 3 和 22 h时的 2个数值差别明显,因此本试验设置的 吸水时间分别为 1, 3, 6, 16和 22 h。 1. 2. 1 � 保水剂吸水倍率 � 按试验设计称取一定质 量的保水剂, 于室温下放在 250 mL 设定浓度的硫 酸铜溶液中,使其充分吸水后, 沥尽水分称质量, 并 收集滤液, 计算吸水倍率。重复 5次取平均值。 吸水倍率= (m2 - m1) / m1。 式中: m1 为初始时保水剂的质量; m2 为充分吸水后 保水剂的质量。 利用吸水倍率计算相对吸水倍率,即: 相对吸水倍率= (吸水倍率/保水剂在去离子水 中的吸水倍率) ∃ 100%。 其中!保水剂在去离子水中的吸水倍率∀可通过试验 分析计算得到。 1. 2. 2 � 铜离子吸收率 � 按照试验设计称取一定质 量的保水剂, 于室温下放在 250 mL 设定浓度的硫 酸铜溶液中, 让保水剂充分吸水后, 沥尽水分称质 量,并收集滤液,测定滤液中的铜离子含量,用差减 法计算保水剂对铜离子的吸持量。滤液中铜离子含 量采用氢氧化钠过滤沉淀法测定。重复 5次取平均 值。铜离子去除率的计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为: 铜离子去除率= ( w 0- w 1 ) / w 0 ∃ 100%。 式中: w 0 为未添加保水剂条件下沉淀物的质量; w 1 为添加保水剂条件下沉淀物的质量。 每克保水剂对铜离子的去除率= 铜离子去除 率/保水剂质量。 1. 2. 3 � 二次吸水倍率 � 将上述试验中充分吸水后 的保水剂取出,沥尽水分, 充分烘干, 再将烘干后的 保水剂放在足量去离子水中充分吸水, 沥尽水分后 称质量,计算二次吸水倍率。重复 5次取平均值。 二次吸水倍率= (M 2- m1 ) /m1。 式中: m1 为初始时保水剂的质量; M2 为二次充分吸 水后保水剂的质量。 2 � 结果与分析 2. 1 � 保水剂用量对 CuSO4 溶液吸收的影响 由表 1可以看出,在吸水时间为 3 h, CuSO 4 溶 147第 3 期 戴 � 欣,等: 保水剂对硫酸铜溶液吸收性能的研究 液浓度为 20 mmol/ L 时,随着保水剂用量的增加, 其吸水倍率略有增大, 但增幅不明显 (变异系数 CV = 0. 07) ; 铜离子去除率随着保水剂用量的增加 而提高,二者呈显著的线性关系。在保水剂用量为 10. 0 g/ kg 时,铜离子去除率接近 60%, 去除效果明 显; 二次吸水倍率也随着保水剂用量的增加而略有 提高, 同时仍有较好的吸水效果。由表 1还可以看 出,二次吸水倍率均较第一次吸水倍率高,这与一些 文献资料的试验结果并不相同 [ 2�6]。 表 1 � 吸水 3 h 时不同保水剂用量对 20 mmol/ L CuSO 4 溶液吸收的影响 T able 1� Effect of super abso rbent polymer s w ith differ ent dosages on the absorbent ability o f 20 mmol/ L CuSO4 so lution during 3 h 保水剂用量/ ( g # kg- 1) Amount of SAP 吸水倍率/ ( g # g- 1 ) Absorpt ion rate 相对吸水倍率/ % Relat ive absor ption rate 铜离子去除率/ % Removal rate of copper ion s 每克保水剂对 铜离子的去除率/ % Removal rate of copper ions per gram of SAP 二次吸水倍率/ ( g # g- 1) Absorpt ion rate after s econdary absorbing 0 0 0 0 0 0 2. 5 12. 20 5. 89 14. 56 23. 30 77. 27 5. 0 12. 48 6. 03 30. 47 24. 38 79. 19 7. 5 12. 93 6. 24 45. 69 24. 37 80. 43 10. 0 13. 38 6. 46 59. 40 23. 76 81. 27 2. 2 � 保水剂对不同浓度 CuSO4 溶液吸收的影响 由表 2可以看出,在吸水时间为 3 h, 保水剂用 量为 5. 0 g / kg 时,硫酸铜溶液浓度对保水剂的吸水 倍率有显著影响, 当硫酸铜溶液浓度达到 25 mmo l/ L时, 保水剂的相对吸水倍率下降到 5%以 下,吸水量十分有限;同时,随着硫酸铜溶液浓度的 增大, 铜离子去除率也明显减小,当硫酸铜溶液浓度 为 25 mmol/ L 时, 铜离子去除率只有 14. 87%; 随着 硫酸铜溶液浓度的增大,保水剂的二次吸水倍率也 相应降低, 但仍有较好的吸水效果。在不同的硫酸 铜溶液浓度下,保水剂的二次吸水倍率均高于一次 吸水倍率, 这与一些文献资料的报道结果不同 [ 2�6]。 表 2� 吸水 3 h 时 5. 0 g/ kg 保水剂对不同浓度 CuSO4 溶液吸收的影响 Table 2� Effect of super abso rbent po lymers with 5. 0 g/ kg dosage on t he absorbent ability o f CuSO4 so lution w ith different concentr ations dur ing 3 h CuSO 4 溶液浓度/ ( m mol# L- 1 ) Con cent rat ion of CuSO 4 吸水倍率/ ( g # g- 1) Absorpt ion rate 相对吸水倍率/ % Relat ive absor ption rate 铜离子去除率/ % Removal rate of copper ion s 每克保水剂对 铜离子的去除率/ % Removal rate of copper ions p er gram of SAP 二次吸水倍率/ ( g # g- 1 ) Absorpt ion rate after s econdary absorbing 0 207. 10 100. 00 0 0 197. 77 10 23. 54 11. 37 47. 92 38. 34 99. 33 15 16. 18 7. 81 35. 45 28. 36 92. 80 20 12. 62 6. 09 27. 24 21. 79 84. 58 25 9. 81 4. 74 14. 87 11. 90 70. 03 2. 3 � 吸水时间对保水剂吸收 CuSO4 溶液的影响 在保水剂用量为 5. 0 g/ kg, CuSO 4 溶液浓度为 20 mmo l/ L 条件下,吸水时间对保水剂吸收效果的 影响见表 3。 表 3 � 不同吸水时间下 5. 0 g / kg 保水剂对 20 mmo l/ L CuSO4 溶液吸收的影响 Table 3� Effect of super abso rbent po lymers with 5. 0 g/ kg dosage on t he absorbent ability o f CuSO 4 solut ion w ith dif fer ent concentrations during different time 吸水时间/ h T he t ime for abs orbing 吸水倍率/ ( g # g- 1) Ab sorpt ion rate 相对吸水倍率/ % Relat ive absor ption rate 铜离子去除率/ % Removal rate of copper ion s 每克保水剂对 铜离子的去除率/ % Removal rate of copper ions per gram of SAP 二次吸水倍率/ ( g # g- 1 ) Absorpt ion rate after s econdary absorbing 1 7. 53 3. 64 6. 68 5. 34 144. 63 3 10. 84 5. 23 26. 39 21. 11 87. 19 6 9. 26 4. 47 41. 22 32. 98 14. 12 16 4. 70 2. 27 57. 80 46. 24 1. 94 22 3. 42 1. 65 63. 89 51. 11 1. 43 � � 由表 3可以看出,当吸水时间少于 3 h 时, 吸水 倍率随着吸水时间的增加而增大,并于 3 h 前后基 本达到最大值; 以后随着吸水时间的增加,保水剂的 吸水倍率反而明显降低; 同时, 随着吸水时间的增 148 西北农林科技大学学报(自然科学版) 第 39 卷 加,铜离子去除率持续增大, 在 22 h 前后达到 60% 以上,效果十分明显;随着吸水时间的增加,二次吸 水倍率显著降低, 在 22 h 前后已基本丧失吸水能 力。 3 � 讨 � 论 根据保水剂的吸水机理可知,离子型保水剂与 水接触后, 离子型亲水基团的电离使树脂结构内外 产生渗透压,该渗透压即是保水剂吸水的动力之一。 当水溶液中有电解质盐类存在时, 就会使水向树脂 内部渗透的压力降低, 从而导致保水剂的吸水能力 下降。 本试验结果表明, 保水剂用量的增加使其吸水 倍率和二次吸水倍率均相应增大, 这与在纯水条件 下保水剂吸水倍率与其用量无关的研究结果并不相 同[ 6] , 这可能是因为保水剂用量增加时可以更多地 吸收溶液中的铜离子, 从而降低铜离子对保水剂吸 水效率的影响, 最终导致吸水倍率的增加。另外,铜 离子的存在显著影响着保水剂的吸水倍率, 而且随 着铜离子浓度的增加吸水倍率明显减小; 随着保水 剂用量的增加, 铜离子去除率明显增大,在保水剂用 量为 10. 0 g/ kg 时, 其对 20 mmol/ L 硫酸铜溶液中 铜离子的去除率已经接近 60%, 而二次吸水倍率略 有增加, 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 保水剂仍然有较好的保水效果。同时, 本研究中吸水时间对保水剂的吸水倍率和二次吸水 倍率的影响结果也与以往的研究不同,这可能是由 于溶液中存在大量的水分子, 因此保水剂在吸附铜 离子的同时会大量吸收水分, 但由于铜离子与保水 剂交联网状结构的结合能力更强, 随着吸收时间的 延长,铜离子逐渐挤占了水分子的位置,导致其吸水 倍率降低;并且铜离子会堵塞保水剂的空隙, 使其失 去再次吸水的能力。 4 � 结 � 论 从去除重金属铜离子的角度看,保水剂是一种 较为理想的材料,而且保水剂用量越大、吸水时间越 长,对铜离子的去除效果越好。但值得注意的是,铜 离子与保水剂的结合能力更强, 它会挤占保水剂已 经吸收的水分子的位置, 并堵塞保水剂的空隙, 使其 失去再次吸水能力。 [参考文献] [ 1] � 田大昕,王联芝,段正超,等.丙烯类高性能吸水材料的研究进 展 [ J] .湖北民族学院学报, 2000, 18( 2) : 18�20. 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