Adsorption av kopparjoner på strån av vete förstärktes med tillsats av tillverkad xantatlösning. Resultatet blev gott med ett kopparupptag av 57,5 mg/g adsorbent. Försöken kördes i lab; både satsvis och i kolumn.
Av: Jörgen Hanaeus
För att öka adsorptionskapaciteten hos vetestrån tillsattes xantat. Den producerades genom koldisulfid som modifierades med tillsatser av epiklorohydrin och etylendiamin. De xantatmodifierade vetestråna karakteriserades med elementanalys, röntgendiffraktion och infraröd spektroskopi. Här framgick att svavel inkorporerades i vetestrånas yta.
Kopparadsorptionen fungerade bäst vid pH 5. Man undersökte salthaltens (NaCl) inflytande på adsorptionen och fann att det var marginellt. Kolumnförsöken visade att adsorptionen följde Yans modell.
Bakgrund
Adsorption som metod för att avskilja tungmetaller har flera fördelar: passar för att behandla utspädda lösningar, god separationseffekt, ingen sekundär förorening, möjlighet till desorption och återanvändning.
Vetestrån är en biprodukt från lantbruket och produceras i stora mängder varje år. Huvudkomponenterna är cellulosa, hemicellulosa och lignin och stråna kan användes direkt som adsorbenter. Råprodukten har använts för att adsorbera koppar, zink och nickel; uppmätta max adsorptionskapaciteter för dessa var då 5 mg/g, 2,5 mg/g resp. 3,25 mg/g vilket får anses vara låga värden. Därför har sätt att modifiera stråytorna undersökts och här har tillsats av koldisulfid, etylendiamin och epiklorohydrin, vilka bildar xantat, provats i lab, först satsvis, sedan i kolumnexperiment.
Försök
Adsorbenten tillverkades genom att etylendiamin tillsattes vetestråna följt av en ympning med epiklorohydrin. Därefter blandades produkten med koldisulfid, CS2, natronlut och etanol för att bilda xantat under 5 h. Vetestråna filtrerades därefter av och sköljdes med etanol för att avlägsna oreagerad CS2. Därefter tvättades stråna med destillerat vatten av 80 ºC och torkades till sist i ugn vid 60 ºC.
Desorptionsförsök utfördes med sköljning av adsorbenten och dess adsorbat (koppar), följd av torkning vid 80ºC och upplösning i 0,1-molar HCl. Kolumnförsöken gjordes i en glascylinder med 1 cm innerdiameter och 25 cm höjd som packats med 5,4 cm (0,90 g) dopad adsorbent. Cu2+-lösning (40 mg Cu/L) pumpades igenom kolumnen med 10 mL/min och provtogs efter passage.
Resultat
Den isoelektriska punkten för vatten genom odopad och xanthatdopad adsorbent mättes till pH 7,7 resp 8,8.
Elementanalys av adsorbenten i olika stadier av produktion visade att adsorptionen ökade från 3 till 44 mg Cu/g adsorbent för odopade resp xantatdopade vetestrån.
Infraröd spektroskopi (FTIR) visade vid odopad adsorption toppar för hydroxyljon, karbonylgrupp, C-O-C och CH2. Vid xantatdopad adsorption hade karbonylgruppsadsorptionen reducerats, vilket antogs bero på att etylendiamin reagerat med karbonylgrupper. I stället hade en topp för -SH tillkommit.
Reaktionstidens inflytande på kopparadsorptionen kontrollerades. Adsorptionsjämvikt nåddes efter 250 min (44 mg Cu/g). Hälften uppnåddes efter 50 min. Det kinetiska förloppet följde en pseudo-andra ordningens modell.
Kopparadsorptionen befanns öka marginellt vid ökad (till 0,16 mol/L) salttillsats (NaCl). pH-värdet hade däremot stor effekt och jämviktsadsorptionen ökade linjärt från nära 0 vid pH 1 till kring 45 mg Cu/g vid pH ca 4 följd av en marginell ökning till pH 6.
Adsorptionsisotermen för Cu till xantatdopade strån ritades upp och befanns följa Langmuirmodellen väl (R2>0,98) med en maximal adsorptionskapacitet av 61,5 mg Cu/L.
I kolumnstudierna uppmättes break-through (C/C0 >5 %) efter 6 min och adsorptionen blev då 27,5 mg Cu/g. Yans modell beskrev denna adsorbtion väl och skrivs: Ct/C0 = 1/ [1+ (vt/b)a] där a och b är koefficienter, t är löpande tid och v flödet. Desorptionsförsöken utfördes med 0,1-M HCl varvid 55 % av adsorberad kopppar frigjordes.
Slutsatser
Tillsats av etylendiamin, epiklorohydrin och koldisulfid som bildar xantat till vetestrån förbättrar adsorptionen av koppar påtagligt. En uppskalning vore intressant. Adsorption på vetestrån förefaller resurssnålt, men en flerstegs kemisk process i anslutning komplicerar och fördyrar och ett framgångsrikt desorptionssteg krävs nog för att processen ska bli kommersiellt attraktiv.
Källa: Guo, Q., Zang, Z., Ma, J., Li, J., Zhou,T. & Han, R.: Adsorption of copper ions from solution using xanthate wheat straw. (2020). Water Science & Technology 82.10, pp 2029-2038.
Författarna från:
College of Chemistry, Zhengzhou University, No 100 Kexue Road, Zhengzhou 450001, China.
Kontakt: rphan67@zzu.edu.cn
