木薯渣制备阳离子吸附剂研究

玉蓉蓉1，陈浪1，柳小英2，廖海宏2，王春红2

1. 柳州职业技术学院，广西柳州，545000  2. 梧州学院，广西梧州，543002

基金项目：

柳州职业技术学院2022年大学生创新与创造项目《木薯渣阳离子吸附剂制备及其应用性能研究》CXCZ2022A021、《玉米秸秆生物炭制备及其对铜离子吸附性能的研究》CXCZ2022A020；

大学生创新创业训练计划项目《基于DES尿素/氯化胆碱的茶叶多酚提取剩余物组份分离研究》202211354007、《木薯渣纳晶纤维素的制备及应用研究》S202211354107。

摘要：木薯是一种高淀粉含量的农作物，含有丰富的淀粉和纤维素以及部分木质素，具有很好的经济效益，随着木薯行业的不断发展，产生的木薯渣也越来越多。木薯渣如果没有得到好的处理会对环境造成污染。将木薯渣作为原料，通过生物酶结合碱的方法制备纤维素，再将得到的纤维素改性引入羧基制备阳离子吸附剂，木薯渣的商业价值将会大幅度提高。

关键词：木薯渣；阳离子；吸附剂

在我国，随着经济的快速发展，淀粉行业越来越大，淀粉加工业带来的废水废弃物也随着增加，作为淀粉的主要来源之一的木薯，在脱粉后残留的大量木薯渣废弃物，而我国对木薯渣的再利用研究还极少，没有商业化利用，因此，探求环保、经济、工业化可行的木薯渣再利用方法已经成为开发和应用木薯渣的迫切需求。木薯渣中含有丰富的纤维素和部分木质素。纤维素作为世界上最丰富的可再生资源，具有很高的利用率，可应用于造纸工业、食品、日化、塑料、胶黏剂等多种产业中。因此从木薯渣中提取纤维素然后通过化学方法对其进行改性，在减少木薯渣对环境的污染和提高木薯渣的利用率上具有重要意义。

1 木薯渣

木薯作为多国主要食用淀粉来源，在世界范围内具有极高的种植面积。近年来，木薯在全球的种植面积约2500万公顷，木薯的总产量也达到约3亿吨。中国作为农业大国，木薯的种植面积也很大。有数据显示，2016年，我国木薯种植面积高达29.1万公顷，总产量将近500万吨，而随着乙醇汽油等依赖木薯资源的环保能源不断开发，木薯在我国的种植也日渐增加[1]。

木薯渣主要来自于工业生产中木薯淀粉后的副产物，廉价易得。广西气候湿热极其适合木薯的生长，并且拥有很丰富的木薯资源。目前我国每年工农业生产的木薯渣达到150吨[2]。木薯渣如果不及时处理，会对环境造成一定的污染，木薯渣的主要用途主要集中在养殖户将木薯渣与饲料混煮进行饲养家猪，但是许多养殖户不懂得贮存木薯渣，使得木薯渣极易发酵腐烂，不仅引起动物的中毒，还会污染环境。因此提高木薯渣利用率，减少环境污染具有极大意义。

2 重金属离子

2.1 重金属离子污染的危害

重金属污染不像大气污染，既闻不到，也看不到，被重金属污染的水体或土壤，即使含量很低，只要超标了对人体的危害也很大。而且不同于其他污染物的可降解性，重金属污染物不仅不可降解，还能在环境中积累和循环，由此也加重了对人体的危害。重金属对人体的危害主要是“三致”，致癌、致疾、致突变。多种资料均提及，重金属在人体内和蛋白质及各种酶所发生强烈的相互作用，使它们失去活性，也可能在人体的某些器官中富集，如果超过人体所能承受的限度，会造成人急性中毒、亚急性中毒、慢性中毒等危害。铜元素是水中金属的一种，是人体必不可少的，但是过量的铜对人体的伤害特别大。铜对水生生生物的毒性亦很大。

2.2 重金属离子的去除方法

处理重金属离子的方法主要有化学沉淀法、电解法、氧化还原法、离子交换法、膜分离法、吸附法等。吸附法由于其操作简单、处理容量大、成本低、无二次污染的优点一直广泛受关注。吸附法是一种利用吸附材料的独特结构和物理化学和性质来有效除去重金属离子的方法，具有理化性能稳定、高选择性和可设计性等特点[3]。吸附法的关键在于吸附剂的选择。传统吸附剂活性炭、离子交换树脂等吸附剂由于再生困难或成本较高等缺点，限制了其大规模应用。

3 纤维素及其化学改性

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水的一般有机溶剂。是自然界中分布最广、储量最大的自然高分子，是构成植物细胞壁的基础物质。纤维素因分子内含许多多孔、比表面积大的羟基基团而具有一定的亲和吸附性，可直接将天然的纤维素类物质作为吸附剂去除金属离子[4]。天然纤维素对重金属离子具有一定的吸附能力，但并不是很强，而且吸附容量小，选择性低，然而通过改性后的纤维素具有更好的吸附能力，因此纤维素改性后能成为一种较好的吸附性材料[5]。从近年来纤维素的应用方向来看，将纤维素及其复合材料作为吸附材料应用于水体重金属吸附脱除的研究相对来说还是一个比较未知的领域，这方面的文献报道相对较少[6]。

纤维素的化学改性是指通过分子设计改变化学结构，使其成为具有特殊物理化学性能的纤维素高分子材料的方法，主要依靠纤维素大分子结构中的大量羟基的改性来完成。经过对羟基改性后引入了具有特定吸附性能的纤维素对金属离子的吸附性能大大增加、结构稳定性增强，如一些含氮、硫、磷等杂原子的衍生物。这类原子具有孤对电子，表现出了对重金良好的络合作用，与一般的重金属处理方法相比，纤维素类吸附法具有吸附量大、吸附速度快、成本低、操作简单等优点

[7]。

木薯渣是工业生产淀粉和乙醇的废料，我国每年有大量的木薯渣被直接掩埋或丢弃，这不仅会造成资源的浪费，而且还会污染环境。木薯渣中的纤维素含量较高，是天然的纤维素原料，如果能将之有效利用，木薯渣的商业价值将会大幅度提高[8]。因此提取木薯渣中的纤维素并对其改性制备阳离子吸附剂具有重要的意义。

参考文献

[1] 贾晶霞,李雷霞.世界及中国木薯生产概况[J].农业工程,2015,5(05):124-126+129.

[2] 蒋和平,倪印峰,朱福守.中国木薯产业发展模式及对策建议[J].农业展望,2014,10(08):41-48.

[3] 兰馨,郭帅庭,李彬.吸附法处理水中重金属的解吸附研究进展[J].山东化工,2020,49(10):81-82+84.

[4] 李春光,彭伟功,许可,王香平,田魏.甘蔗渣纳晶纤维素酸法制备工艺的响应面法优化[J].安全与环境学报,2012,12(04):17-20.

[5] 梁涛.纤维素生物功能材料的种类及应用[J].大众科技,2013,15(09):62-64+38.

[6] 金如娜. 纳晶纤维素基吸附材料制备及吸附重金属离子研究[D].浙江海洋大学,2016.

[7] 王小芬. 改性纤维素吸附剂的合成及其吸附重金属离子的应用研究[D].广西大学,2014.

[8] 黄丽婕,张晓晓,徐铭梓,安书香,李春颖,赵含宇,徐豪.木薯渣纳米纤维素的制备与表征[J].包装工程,2019,40(15):16-23.