殼聚糖-納米零價(jià)鐵球去除水中二價(jià)鎘的研究

顏小星 ，柳聽(tīng)義 ，王中良

（天津師范大學(xué)a.天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津300387）

礦石開(kāi)采、金屬冶煉、制革廠和電鍍廠會(huì)產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，若這些含有大量重金屬的工業(yè)廢水未經(jīng)處理直接排入水體，會(huì)造成嚴(yán)重污染[1-2].重金屬具有較高的遷移性和毒性，在水體中不易被生物降解，具有生物富集和生物放大效應(yīng)[2].鎘相比其他重金屬更容易被蔬菜和糧食作物吸收，并隨著食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)，主要積聚于肝和腎，對(duì)骨頭、呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)造成危害，具有致癌性[2-5].因此，國(guó)際癌癥研究署把鎘歸類(lèi)為第一類(lèi)人類(lèi)致癌物[6].水體重金屬污染已成為關(guān)系到人類(lèi)健康和生存的重大環(huán)境問(wèn)題[2，7].

近年來(lái)，利用納米零價(jià)鐵（nanoscale zero-valent iron，NZVI）去除污染物作為一種新的污染控制技術(shù)已引起廣泛關(guān)注.NZVI具有粒徑小、比表面積大、反應(yīng)活性高以及吸附性與還原性強(qiáng)等特性，對(duì)重金屬離子有很強(qiáng)的凈化能力[8-14].但NZVI顆粒容易團(tuán)聚，造成比表面積減小、反應(yīng)活性降低，且NZVI在空氣中極易被氧化甚至自燃[15]，這些問(wèn)題限制了NZVI的應(yīng)用.殼聚糖（chitosan，CS）是甲殼素脫去乙?；蟮玫降囊环N直鏈大分子生物多糖，是一種低毒、可以降解、具有良好生物相容性的天然聚合物[16]，其大分子鏈上分布著氨基和羥基，對(duì)重金屬具有良好的吸附性，且CS具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成球后能形成孔道結(jié)構(gòu)，有利于物質(zhì)的交換[16-18].利用殼聚糖表面改性納米鐵，可以有效防止NZVI顆粒團(tuán)聚和氧化[19].目前，將NZVI負(fù)載在殼聚糖球內(nèi)去除水相中的重金屬Cd（II）還沒(méi)有系統(tǒng)的研究.本研究以殼聚糖為載體，制備出殼聚糖-納米零價(jià)鐵（chitosan nanoscale zero-valent iron，CS-NZVI）球，用以去除水中的Cd（Ⅱ），考察Cd（Ⅱ）初始質(zhì)量濃度、pH值、反應(yīng)溫度和NZVI投加量對(duì)去除效果的影響，探討了CS-NZVI球去除Cd（Ⅱ）的規(guī)律和機(jī)理.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 CS-NZVI球的制備

在58℃條件下，將2.0g殼聚糖溶解于100mL體積分?jǐn)?shù)為1%的醋酸中，持續(xù)攪拌4h后停止加熱.緩慢冷卻至27℃時(shí)加入NZVI（納米零價(jià)鐵購(gòu)自南京埃普瑞納米材料有限公司，純度為95%），繼續(xù)攪拌20min使NZVI顆粒均勻分散在CS和醋酸的混合液中.利用注射器將上述溶液逐滴滴加到濃度為2.0mol/L脫氧的NaOH溶液中，會(huì)立刻形成CS-NZVI球.將CS-NZVI球繼續(xù)保存在NaOH中24h后，用脫氧去離子水沖洗3～4次，并將其保存在脫氧去離子水中備用.以上過(guò)程均在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下完成.

1.2 Cd（Ⅱ）溶液的配制

將一定量的CdCl2·2.5H2O加入去離子水中，配制Cd（Ⅱ）質(zhì)量濃度分別為20、50、100和200mg/L的溶液.

1.3 去除水中Cd（Ⅱ）的間歇實(shí)驗(yàn)

取一定初始質(zhì)量濃度的Cd（Ⅱ）溶液100mL于聚乙烯瓶中，通過(guò)滴加稀HCl和稀NaOH調(diào)節(jié)pH值，投加CS-NZVI球后置于水浴恒溫振蕩器中，調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，轉(zhuǎn)速為160r/min.每隔10min取樣，經(jīng)0.22μm針頭濾膜過(guò)濾后進(jìn)行儀器分析測(cè)試.根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在保持其他反應(yīng)條件不變的情況下，改變其中一個(gè)條件，進(jìn)行批實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示.

表1 批實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters of batch test

1.4 表征

利用Nova Nano SEM 230型帶能譜儀的掃描電鏡（SEM/EDS）對(duì)CS-NZVI球的粒度和形貌進(jìn)行觀察，并對(duì)其內(nèi)部Fe元素的分布進(jìn)行分析.利用Tecnai G2F20型透射電鏡（TEM）對(duì)NZVI的粒徑和形貌進(jìn)行觀察.利用TAS-990型原子吸收分光光度計(jì)（AAS）測(cè)量Cd（II）的質(zhì)量濃度.利用PHI1600型X線光電子能譜（XPS）對(duì)CS-NZVI球表面元素組成和各元素的化學(xué)結(jié)合能態(tài)進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 CS-NZVI球的表征

CS-NZVI球的表征結(jié)果如圖1所示.

圖1 表征照片F(xiàn)ig.1 Results of characterization

圖 1（a）為制備所得的 CS-NZVI球，由圖 1（a）可以看出，所有CS-NZVI球規(guī)則均一，均為直徑約3.1mm的黑色球體.由CS-NZVI球的SEM照片（圖1（b））可知，CS-NZVI球內(nèi)部呈多孔結(jié)構(gòu)，孔徑大小不均，為9.5～102.8μm，平均孔徑為40.6μm，與Guo等[20]的CS微球的孔徑4.9～15.8μm相比，孔徑較大，有利于NZVI與Cd（Ⅱ）的傳質(zhì)過(guò)程以及反應(yīng)的進(jìn)行.同時(shí)，利用SEM/EDS對(duì)其內(nèi)部Fe元素的分布進(jìn)行分析可知，F(xiàn)e元素均勻分布，說(shuō)明NZVI顆粒均勻地分布在 CS-NZVI球內(nèi)，如圖 1（c）所示.圖 1（d）為 NZVI的TEM照片，由圖1（d）可以看出，NZVI的平均粒徑為21.6nm，由于具有磁性，NZVI呈鏈狀.可見(jiàn)，本研究制備出的CS-NZVI球有效地解決了NZVI的團(tuán)聚問(wèn)題.

2.2 CS-NZVI球去除水中Cd（Ⅱ）的機(jī)理分析

圖2為與Cd（II）溶液反應(yīng)前以及反應(yīng)后的CSNZVI球的 XPS 圖譜.通過(guò)對(duì)比圖 2（a）和圖 2（b）可以發(fā)現(xiàn)，處理Cd（Ⅱ）溶液后圖2（b）中出現(xiàn)了1個(gè)新的特征峰，即鎘的特征峰，這說(shuō)明污水中的Cd（Ⅱ）已經(jīng)從水中分離出來(lái)吸附在CS-NZVI球上.

圖2 CS-NZVI球處理Cd（Ⅱ）溶液前后的XPS圖譜Fig.2 XPS survey for CS-NZVI beads before and after reacting with Cd（Ⅱ）

圖3給出了CS-NZVI球處理Cd（Ⅱ）溶液后，F(xiàn)e2p和 Cd3d5/2的 XPS詳細(xì)圖譜.在圖 3（a）中，F(xiàn)e2p3/2和Fe2p1/2的電子結(jié)合能譜峰分別出現(xiàn)在711.6eV和725.8eV處，這表明樣品上主要是Fe（Ⅲ），幾乎沒(méi)有Fe（0）存在，說(shuō)明NZVI幾乎完全被氧化為Fe（Ⅲ）[21].圖3（b）中Cd3d5/2出現(xiàn)了404.6eV和405.8eV2個(gè)譜峰，這表明樣品上的鎘為Cd（0）和Cd（Ⅱ）.大量研究表明，CS表面暴露有大量的氨基和羥基，是重金屬離子的主要吸附活性位點(diǎn)[21-25]，對(duì)Cd（Ⅱ）有吸附能力.這說(shuō)明Cd（Ⅱ）可以富集在CS-NZVI球表面和內(nèi)部，而CS-NZVI的多孔隙大孔徑結(jié)構(gòu)有利于Cd（Ⅱ）與NZVI接觸反應(yīng)，使 Cd（Ⅱ）被還原為 Cd（0）.但是 Li等[26]認(rèn)為，利用納米零價(jià)鐵去除水中Cd（Ⅱ）的機(jī)理是水中的Cd（Ⅱ）由于靜電相互作用和表面膠合作用等被富集在了鐵的表面.本研究中，通過(guò)圖3（b）可以看到Cd（0）的特征峰比Cd（Ⅱ）的特征峰強(qiáng)度大，說(shuō)明CS-NZVI球去除水中Cd（Ⅱ）時(shí)，化學(xué)還原過(guò)程起了主要作用.

圖3 CS-NZVI球的窄軌道XPS圖譜Fig.3 High-resolution XPS survey of CS-NZVI bead

2.3 CS-NZVI球去除水中Cd（Ⅱ）的影響因素

隨著Cd（Ⅱ）初始質(zhì)量濃度的升高，CS-NZVI球?qū)d（Ⅱ）的去除率逐漸降低，如圖4所示.

圖4 Cd（II）初始質(zhì)量濃度對(duì) Cd（II）去除率的影響Fig.4 Effect of initial mass concentration on the removal rate of Cd（II）

NZVI的投加量是一定的，則其總的有效吸附面積和反應(yīng)活性位點(diǎn)是一定的[27]，隨著Cd（Ⅱ）濃度的升高，部分吸附面積與反應(yīng)位點(diǎn)被占用而使得有效的反應(yīng)位點(diǎn)逐漸減少，Cd（Ⅱ）的去除率逐漸降低.

圖5為反應(yīng)體系pH值對(duì)Cd（Ⅱ）去除率的影響，從圖5可以看出，pH值越高，CS-NZVI球?qū)d（Ⅱ）的去除率越高，當(dāng)pH=9，將CS-NZVI球加入Cd（Ⅱ）溶液1h時(shí)，去除率達(dá)到了100%.當(dāng)pH值較低時(shí)，具有較強(qiáng)吸附位競(jìng)爭(zhēng)力的H+濃度較高，且CS-NZVI球表面的氨基更易氨基化而帶上正電荷[21]，不利于Cd（Ⅱ）被吸附.當(dāng)pH值較高時(shí)，有利于重金屬離子的水解，其水解產(chǎn)物的親和力比重金屬離子的大，有利于鎘離子的去除[28-29].

圖5 pH值對(duì)Cd（Ⅱ）去除率的影響Fig.5 Effect of pH on the removal rate of Cd（Ⅱ）

圖6為反應(yīng)溫度對(duì)Cd（Ⅱ）去除率的影響，由圖6可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，CS-NZVI球?qū)d（Ⅱ）的去除率逐漸升高.溫度升高，鎘離子的振動(dòng)速率增加，提高了CS-NZVI球與Cd（Ⅱ）的沖撞頻率[30]，有利于更多的Cd（Ⅱ）進(jìn)入CS-NZVI球的內(nèi)部，且溫度升高有利于增強(qiáng)電子的活動(dòng)和轉(zhuǎn)移[31]，使得一部分Cd（Ⅱ）迅速轉(zhuǎn)化為 Cd（0）.

圖6 反應(yīng)溫度對(duì)Cd（Ⅱ）去除率的影響Fig.6 Effect of reaction temperature on the removal rate of Cd（Ⅱ）

圖7為NZVI投加量對(duì)Cd（Ⅱ）去除率的影響.隨著NZVI投加量的增大，CS-NZVI對(duì)Cd（Ⅱ）的去除率逐漸升高.這是由于隨著NZVI投加量的增加，有效吸附面積和反應(yīng)活性位點(diǎn)增加[27]，Cd（Ⅱ）的去除率也隨之增大.

圖7 NZVI投加量對(duì)Cd（Ⅱ）去除率的影響Fig.7 Effect of NZVI dosage on the removal rate of Cd（Ⅱ）

3 結(jié)論

利用殼聚糖負(fù)載納米零價(jià)鐵制備CS-NZVI球，所得CS-NZVI球?yàn)橐?guī)則均一的黑色球體，具有多孔結(jié)構(gòu)，平均孔徑為40.6μm，這種多孔結(jié)構(gòu)有利于NZVI與Cd（Ⅱ）的傳質(zhì)過(guò)程與反應(yīng)的進(jìn)行.NZVI均勻分散在CS-NZVI球內(nèi)，說(shuō)明CS載體可以有效防止NZVI顆粒的團(tuán)聚.CS-NZVI球去除 Cd（Ⅱ）的機(jī)理為 Cd（II）被吸附在CS-NZVI球表面和內(nèi)部，其中大部分Cd（Ⅱ）被NZVI還原為Cd（0），反應(yīng)過(guò)程中化學(xué)還原過(guò)程起主要作用.

pH值對(duì)Cd（Ⅱ）的去除效果影響顯著，pH較高時(shí)，CS-NZVI球?qū)d（Ⅱ）的去除率較高；隨著溫度和NZVI投加量的增加，CS-NZVI球?qū)d（Ⅱ）的去除率逐漸升高；但隨著Cd（Ⅱ）初始質(zhì)量濃度的提高，CSNZVI球?qū)d（Ⅱ）的去除率逐漸降低.故在利用CSNZVI球處理被鎘污染的水體時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)提高污水pH值、溫度以及增加NZVI投加量，提高對(duì)Cd（Ⅱ）的去除效率.

[1]許秀琴，朱勇，楊挺，等.水體重金屬的污染危害及其修復(fù)技術(shù)[J].污染防治技術(shù)，2007，20（4）：67-69.

[2] 朱映川，劉雯，周遺品，等.水體重金屬污染現(xiàn)狀及其治理方法研究進(jìn)展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，221（8）：143-146.

[3]楊延軍，劉建.淺談水污染對(duì)人體健康的影響與危害[J].吉林水利，2003，255（11）：37-40.

[4]任繼平，李德發(fā)，張麗英.鎘毒性研究進(jìn)展[J].動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào)，2003，15（1）：1-6.

[5]何孟常.水體沉積物重金屬生物有效性及評(píng)價(jià)方法[J].環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1998，6（5）：9-19.

[6]陳永厚，蒙寬宏，劉際洲.水體中常見(jiàn)重金屬污染物及其檢測(cè)方法和排放標(biāo)準(zhǔn)[J].黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，104（4）：5-6.

[7] 魏筱紅，魏澤義.鎘的毒性及其危害[J].公共衛(wèi)生與預(yù)防醫(yī)學(xué)，2007，18（4）：44-46.

[8]PONDER S M，DARAB J G，MALLOUK T E.Remediation of Cr（VI）and Pb（II）aqueous solutions using supported，nanoscale zero-valentiron[J].Environmental Science and Technology，2000，34（12）：2564-2569.

[9]LEWIS R D，CONDOOR S，BATEK J，et al.Removal of lead contaminated dusts from hard surfaces[J].Environmental Science and Technology，2006，40（2）：590-594.

[10]KANEL S R，GRENECHE J M，CHOI H.Arsenic（V）removal from groundwater using nanoscale zero-valent iron as a colloidal reactive barrier material[J].Environmental Science and Technology，2006，40（6）：2045-2050.

[11]LIU Q，BEI Y，ZHOU F.Removal of lead（II）from aqueous solution with amino-functionalized nanoscale zero-valent iron[J].Central European Journal of Chemistry，2009，7（1）：79-82.

[12]CAO J，ZHANG W X.Stabilization of chromium ore processing residue（COPR）with nanoscale iron particles[J].Journal of Hazardous Materials，2006，132（2）：213-219.

[13]張玉榮，吳杰，朱慧杰，等.納米鐵負(fù)載材料應(yīng)用研究[J].河南城建學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，21（1）：35-39.

[14]柳聽(tīng)義，趙林，譚欣，等.納米零價(jià)鐵去除垃圾滲濾液中鉻（Ⅵ）的性能及機(jī)理研究[J].環(huán)境化學(xué)，2010，29（03）：429-433.

[15]KRAJANGPAN S，JARABEK L，JEPPERSON J，et al.Polymer modified iron nanoparticles for environmental remediation[J].Polymer Preprint，2008，49：921-922.

[16]高巍.甲殼質(zhì)及殼聚糖在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2005，25（5）：84-85.

[17]楊越冬.甲殼質(zhì)/殼聚糖特性及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].河北農(nóng)業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，12（4）：55-59.

[18]KRAJEWSKA B.Membrane-based processes performed with use of chitin/chitosan materials[J].Separation and Purification Technology，2005，41（3）：305-312.

[19]GENG B，JIN Z H，LI T L，et al.Kinetics of hexavalent chromium removal from water by chitosan-Fe0nanoparticles[J].Chemosphere，2009，75：825-830.

[20]GUO T，XIA Y，HAO G，et al.Adsorptive separation of hemoglobin by molecularly imprinted chitosan beads[J].Biomaterials，2004，25（27）：5905-5912.

[21]BODDU V M，ABBURI K，TALBOTT J L，et al.Removal of hexavalent chromium from wastewater using a new composite chitosan biosorbent[J].Environmental Science&Technology，2003，37（19）：4449-4456.

[22]唐蘭模，符邁群，張萍.用殼聚糖除去溶液中微量鉻（VI）的研究[J].化學(xué)世界，2001，42（2）：59-62.

[23]張廷安，豆志河.殼聚糖絮凝劑處理廢水中的Ag+[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，27（1）：53-56.

[24]張廷安，豆志河.用殼聚糖脫除廢水中的銅離子[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，27（2）：203-205.

[25]孫昌梅，曲榮君，王春華，等.基于殼聚糖及其衍生物的金屬離子吸附劑的研究進(jìn)展[J].離子交換與吸附，2004，20（2）：184-192.

[26]LI X Q，ZHANG W X.Sequestration of metal cations with zerovalent iron nanoparticles：a study with high resolution X-ray photoelectron spectroscopy（HR-XPS）[J].American Chemical Society，2007，111：6939-6946.

[27]MORGADA M E，LEVY I K，SALOMONE V，et al.Arsenic（V）removal with nanoparticulate zerovalent iron：effect of UV light and humic acids[J].Catalysis Today，2009，143（3）：261-268.

[28]張會(huì)民，徐明崗，呂家瓏，等.pH對(duì)土壤及其組分吸附和解吸鎘的影響研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，（S1）：320-324.

[29]陳永貴，葉為民，張可能.溫度和pH對(duì)填埋場(chǎng)防滲帷幕吸附重金屬離子的影響[J].上海環(huán)境科學(xué)，2008，27（4）：152-155.

[30]CHUANG F W，LARSON R A，WESSMAN M S.Zero-valent iron-promoted dechlorination of polychlorinated biphenyls[J].Environmental Science&Technology，1995，29（9）：2460-2463.

[31]BREED A，DEMPERS C，SEARBY G，et al.The effect of temperature on the continuous ferrous-iron oxidation kinetics of a predominantly Leptospirillum ferrooxidans culture[J].Biotechnology and Bioengineering，1999，65（1）：44-53.