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A facile removal of phenol in coking wastewater using β-cyclodextrin modified with hexamethylene diisocyanate

六亚甲基二异氰酸酯改性β-环糊精及其焦化废水处理



全 文 :第 11 卷第 6 期
2013 年 11 月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol. 11 No. 6
Nov. 2013
doi:10. 3969 / j. issn. 1672 - 3678. 2013. 06. 017
收稿日期:2012 - 11 - 13
基金项目:南京工业大学与上海宝钢化工有限公司合作开发项目(K10SHAM280)
作者简介:王海军(1988—)男,江苏泰州人,硕士研究生,研究方向:有机废水治理;吕效平(联系人),教授,E⁃mail:xplu@ njut. edu. cn
六亚甲基二异氰酸酯改性 β 环糊精及其
焦化废水处理
王海军1,王有涛1,周玉清2,韩萍芳3,吕效平1
(1.南京工业大学 化学化工学院,南京 210009; 2.南京化工职业技术学院,南京 210048;
3.南京工业大学 环境学院,南京 210009)
摘  要:以六亚甲基二异氰酸酯(HDI)为交联剂与 β 环糊精(β CD)聚加成反应,制得的 HDI β 环糊精交联聚
合物(β CD HDI)用于焦化废水的处理。 采用红外光谱( IR)及扫描电子显微镜(SEM)对交联产物进行分析表
征,结果发现所得交联物即为目标产物。 实验结果表明了废水处理和再生的工艺参数:聚合物用量 40 g / L,温度 20
℃;HDI β CD多次使用后可用甲醇浸泡、洗涤进行再生,再生 10 次吸附率仍然在 58􀆰 1%以上。
关键词:吸附;焦化废水;β 环糊精;六亚甲基二异氰酸酯
中图分类号:O633        文献标志码:A        文章编号:1672 - 3678(2013)06 - 0082 - 04
A facile removal of phenol in coking wastewater using
β⁃cyclodextrin modified with hexamethylene diisocyanate
WANG Haijun1,WANG Youtao1,ZHOU Yuqing2,HAN Pingfang3,LÜ Xiaoping1
(1. College of Chemistry and Chemical Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China;
2. Nanjing College of Chemical Technology,Nanjing 210048,China; 3. College of Environment,
Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China)
Abstract:The cross⁃linked β⁃cyclodextrin polymer (HDI⁃β⁃CD),synthesized by the modification of β⁃
cyclodextrin (β⁃CD) with crosslinking reagent hexamethylene diisocyanate (HDI),was studied and used
as an adsorbent in the treatment of coking wastewater. Infrared spectroscopy ( IR) and scanning electron
microscopy (SEM) techniques were used to characterize the cross⁃linked polymer. The results indicated
that the final product was target product. The optimum adsorbent conditions of HDI⁃β⁃CD were found by
the experiment as follows: the amount of cross⁃linked polymer of 40 g / L and temperature 20℃, the
removal rate of the phenols was still 58􀆰 1% ,after 10 times of repeated usage.
Key words:adsorption;coking wastewater;β⁃cyclodextrins;hexamethylene diisocyanate
    焦化废水是由煤高温干馏、煤气净化及精制过
程中产生的工业有机废水,具有污染物浓度高、组
分复杂、毒性大等特点,其中有机污染物主要是酚
类与芳烃物质,这种高毒性废水对于生物体具有致
命毒性[1],故无法利用生物污泥法来消除。 多年
来,如何经济而有效地治理高浓度苯酚废水,一直
是国内外研究的重要课题。 其中,天然高分子 β 环
糊精(β CD)及其改性聚合物在处理含酚废水的应
用中引起了人们的极大兴趣[2]。 这类水处理剂因
其具有特殊的结构和性质,对酚类化合物表现出了
优异的吸附性能。
利用环糊精聚糖转位酶作用于淀粉后经水解
环合而成环糊精(简称 CD),为水溶性、非还原性
的白色结晶粉末,常见的有 α、β 和 γ 3 种,其中以
β CD在水中溶解度最小,最易从水中析出结晶,
故用途最为广泛[3 - 4] 。 β 环糊精是由 D 吡喃型
葡萄糖单元通过 α (1→4)糖苷键连接而成的一
类环状低聚糖[5] ,它具有“内部疏水、外部亲水”的
空腔结构,主要通过空腔尺寸匹配以及氢键、疏
水、范德华力等相互作用与客体分子形成包结
物[6 8] ,根据它的这一特点形成的环糊精包合技
术,使 β CD广泛应用于医药[9] 、食品工业[10] 、化
工环保[5,11]等领域。
β 环糊精在水中具有一定的溶解度,需要对其
进行修饰改性,经过改性后的环糊精在污水处理方
面比直接使用具有更好的效果[12]。 笔者利用交联
剂六亚甲基二异氰酸酯(HDI)与 β CD 中的羟基
发生聚加成反应生成 HDI β CD 改性交联聚合
物,并用于处理焦化废水,以期为治理焦化废水提
供新的路径。
1  材料与方法
1. 1  实验仪器与材料
DR2800 型便携式分光光度计 (美国哈希公
司),Nicolet 380 型红外光谱仪(Thermo Electron 公
司),DSHZ 300A 型旋转式水浴恒温振荡器(苏州
培英实验设备有限公司),S 3400N II 型扫描电镜
分析仪(日本日立公司);QM 3SP 型球磨机(南京
大学仪器厂)。
β CD、N,N 二甲基甲酰胺(DMF)、三亚乙
烯二胺、4 氨基安替比林、苯酚,国药集团化学试
剂有限公司;六亚甲基二异氰酸酯、氯化铵,广东
汕头市西陇化工厂;三氯甲烷,上海中试化工总公
司;二丁基二月桂酸锡,上海试剂四厂;铁氰化钾,
上海凌峰化学试剂有限公司;所有试剂规格都是
分析纯并且使用前均进行真空干燥。 焦化废水来
源于上海宝钢化工有限公司梅山分公司梅山化
工厂。
1. 2  HDI改性 β CD的制备
反应在三口烧瓶中并在氮气保护下进行,往瓶
中加入一定量的有机溶剂(DMF)、复合催化剂以及
β CD,进行搅拌使其溶解。 加热到一定温度后,向
三口烧瓶中加入一定比例的 HDI,反应一定时间,加
入三氯甲烷,再搅拌加热一定时间后,冷却并用去
离子水洗涤、抽滤,除去杂质。 将聚合物在真空中
干燥,70 ℃下干燥至恒质量,使用球磨机进行研磨,
得到白色粉末状的交联产物。
1. 3  测量方法以及吸附率的计算
取一定量的 HDI β CD 置于 100 mL 锥形瓶
中,加入 100 mL焦化废水。 将其放置在振荡器上振
荡,在吸附一定时间后取样,使用离心机离心后取
上清液,量取一定量于 50 mL 比色管中。 因为梅山
化工厂焦化废水中酚类主要为挥发酚,所以使用 4
氨基安替比林分光光度法测定水中挥发酚的方
法[13],测定滤液在 510 nm 的吸光度,计算吸附率。
酚类的溶液吸附率计算式为
η = (ρ0 - ρ) / ρ0 × 100% (1)
式中:ρ0为实验处理前焦化废水酚质量浓度;ρ 为处
理后焦化废水酚质量浓度。
2  结果与讨论
2. 1  焦化废水中酚含量的测定
用分光光度计对废水中的酚类物质进行测量,
发现含酚质量浓度为 3 302 mg / L,pH为 9􀆰 3。
2. 2  HDI β CD用量对焦化废水吸附率的影响
    焦化废水其含酚质量浓度 3 302 mg / L,pH 为
9􀆰 3,溶液体积 100 mL,吸附温度 20 ℃,吸附时间在
120 min内,分别考察了不同 HDI β CD用量对废
水吸附率的影响,结果见图 1。
图 1  HDI β CD用量对焦化废水酚类
污染物吸附率的影响
Fig. 1  Effects of amount of HDI⁃β⁃CD
on adsorption efficiency
由图 1 可知:随着吸附剂用量的增加,含酚废
水的去除率增大,吸附时间到 60 min 后吸附率基
38  第 6 期 王海军等:六亚甲基二异氰酸酯改性 β 环糊精及其焦化废水处理
本达到平衡,在不同 HDI β CD用量时的吸附率
最高为 65􀆰 7% 、69􀆰 5% 、71􀆰 6% 和 72􀆰 3% 。 由于
吸附剂用量增加,吸附位点相对比较多,这样就增
加了其吸附量;但是随着交联聚合物用量的增加,
吸附率增加变缓。 另外,随着 HDI β CD用量的
增多,由于聚合物的不溶性使得焦化废水溶液的
浑浊度也增加,这样就影响了吸光度的测定,并且
40 与 50 g / L的吸附率相差不大,综合考虑聚合物
使用量选择为 40 g / L;另一方面,HDI β CD 用
量越多,吸附的成本也越高,不利于工业化应用,
从生产成本考虑,HDI β CD 用量越少成本越
低。 综合吸附效果和生产成本,选用 HDI β CD
用量 40 g / L。
2. 3  不同温度与吸附时间对焦化废水吸附率的影响
焦化废水其含酚质量浓度为 3 302􀆰 8 mg / L,pH
9􀆰 3,溶液体积 100 mL,HDI β CD用量为40 g / L,
吸附时间在 120 min 内,分别考察了不同吸附温度
对焦化废水吸附率的影响,结果见图 2。
图 2  焦化废水温度对酚类污染物吸附率的影响
Fig. 2  Effects of coking waste water temperature
on adsorption efficiency
由图 2 可知:温度的提高对焦化废水中酚类物
质的吸附影响不明显,温度从 20 ℃提高到 40 ℃,最
高吸附率由 71􀆰 6%提高到 73􀆰 5% ,吸附率提高了
1􀆰 9% 。 但是温度的提高会增加生产成本,工业化处
理废水量比较大,因此如果提高废水温度,需要额
外增加热源,提高处理成本。 鉴于实验结果,温度
提高对吸附率的影响不明显,所以工业化生产过程
可以在室温下进行。 比较图 1 和图 2 的结果可以发
现,在 60 min后 HDI β CD对酚类的吸附率变化
不大,延长时间酚类的去除率变化较小,另外时间
越短越有利于工业化应用。 综上所述,选择吸附时
间为 60 min较合适。
2. 4  HDI β CD再生
为降低含酚焦化废水处理的成本,对 HDI β
CD进行了再生试验。 称取 4 g 固体,投入到 100 mL
焦化废水溶液中,吸附时间为 120 min,吸附结束后测
定酚类的吸附率;将吸附后的 HDI β CD用适量的
甲醇溶液进行解吸,浸泡一定时间后,进行过滤洗涤,
在真空干燥箱 60 ℃下进行干燥,重复吸附试验,测定
HDI β CD对酚类的吸附率(吸附剂用量与废水量
比例保持不变),HDI β CD的再生效果见图 3。
图 3  再生 HDI β CD的次数对吸附率的影响
Fig. 3  Adsorption efficiency of HDI⁃β⁃CD under
different regeneration times
由图 3 可知:实验合成的吸附剂 HDI β CD
具有很强的再生能力,经过 10 次再生后的吸附率仍
有 58􀆰 1% ,如果应用于工业生产可以经过洗脱后重
复利用,而 10 次后的吸附剂还可以继续吸附总酚含
量较高的焦化废水。 重复利用的次数越多,吸附剂
的使用成本越低,越利于工业化推广。
图 4  β CD(1)、HDI(2)和 HDI β CD(3)的红外谱
Fig. 4  FTIR spectra of β⁃CD (1),HDI (2),
and HDI⁃β⁃CD (3)
2. 5  聚合物的红外谱图分析
图 4 为 β CD(1)、HDI(2)和 HDI β CD(3)
的红外光谱。 由图 4 可知:β CD 和 HDI β CD
在 3 439 cm - 1处都有—OH伸缩振动峰,交联 β CD
48 生  物  加  工  过  程    第 11 卷 
的—OH伸缩振动峰强度明显弱于 β CD。 HDI
β CD中原 HDI 在 2 270 cm - 1处的 —NCO 特征峰
消失,即二异氰酸酯中的异氰酸酯被完全消耗掉。
HDI β CD在 1 709 cm - 1处出现羧酸盐 —C 􀪅O
的伸缩振动吸收峰,1 553 cm - 1处出现 N—H 的特
征吸收峰,即 HDI β CD中存在氨基甲酸酯,表明
二异氰酸酯的 —NCO 与 β CD的 —OH 发生交联
反应生成交联物。
2. 6  交联聚合物的 SEM分析
图 5 为 β CD(a)和 HDI β CD(b)的 SEM
图。 由图 5(a)可以看到,环糊精为层状结构,其表
面光滑但不平整,且具有荧光性。 从图 5(b)可以看
出,HDI与 β CD交联后表面形貌发生变化,HDI
β CD表面呈明显的层状结构且出现许多网络线,
原来的环糊精分子的荧光性消失,说明 HDI 分子和
β CD分子两者之间发生了交联反应。
图 5  β CD(a)和 HDI β CD(b)的 SEM照片
Fig. 5  SEM images of β⁃CD(a)and HDI⁃β⁃CD(b)
3  结  论
1)以 HDI为交联剂改性 β CD,合成出一种新
型的 HDI β CD交联聚合物,并考察吸附剂 HDI
β CD用量、温度对焦化废水中酚类吸附性能的影
响。 结果表明,改性后的 HDI β CD 交联聚合物
对酚类有较高的吸附效率。 加入 HDI β CD的用
量 40 g / L,温度为 20℃时对焦化废水中酚类的去除
率达到 71􀆰 6% 。 吸附实验结束后用甲醇溶液进行
解吸,HDI β CD的吸附性能可以再生,重复再生
10 次后吸附率仍在 58􀆰 1% ,具有工业应用价值。
2)用 IR 及 SEM 方法对 HDI β CD 进行表
征,结果显示:HDI β CD聚合物保留了环糊精的
空腔结构,且 β CD 分子的荧光性消失,与二异氰
酸酯反应生成了氨基甲酸酯基键,说明 β CD 已经
被 HDI改性。 交联后的聚合物表面可以明显看到
纵横交错的网络线,这使得交联聚合物的稳定性和
吸附性有较高的提高,这样使得我们在有机废水处
理和药物缓释方面可以看到其广阔的应用前景。
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