納米零價(jià)鐵/玉米淀粉的制備及其對(duì)Pb2+的吸附

高國(guó)振，李金軒，李小燕，李 尋，王長(zhǎng)柏，賀彩婷

（東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，江西 南昌 330013）

材料與藥劑

納米零價(jià)鐵/玉米淀粉的制備及其對(duì)Pb2+的吸附

高國(guó)振，李金軒，李小燕，李 尋，王長(zhǎng)柏，賀彩婷

（東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，江西 南昌 330013）

以玉米淀粉為載體，采用液相還原法制備納米零價(jià)鐵/玉米淀粉，并用于溶液中Pb2+的去除。采用SEM技術(shù)對(duì)吸附材料進(jìn)行了表征。考察了溶液pH、納米零價(jià)鐵/玉米淀粉加入量、初始Pb2+質(zhì)量濃度、反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)Pb2+吸附效果的影響。表征結(jié)果顯示，納米零價(jià)鐵/玉米淀粉球體間主要呈鏈狀連接，不僅保持了納米零價(jià)鐵的特性，且顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在溶液pH 7.0、納米零價(jià)鐵/玉米淀粉加入量0.8 g/L、初始Pb2+質(zhì)量濃度50 mg/L、反應(yīng)時(shí)間60 min的條件下，納米零價(jià)鐵/玉米淀粉對(duì)Pb2+具有較好的吸附效果，Pb2+去除率為93.17％、吸附量為47.27 mg/g。

納米零價(jià)鐵；玉米淀粉；負(fù)載；鉛離子；吸附劑

Pb及其化合物是不可降解的環(huán)境污染物。它們性質(zhì)穩(wěn)定，可隨廢水、廢氣和廢渣大量流入環(huán)境中，產(chǎn)生污染，危害人體健康［1］。因此，Pb2+污染環(huán)境的修復(fù)技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注［2-3］。自20世紀(jì)80年代末有關(guān)于零價(jià)鐵可還原去除水溶液中氯代有機(jī)物的報(bào)道［4］以來(lái)，利用零價(jià)鐵處理水體污染物已成為近年來(lái)的熱門(mén)研究領(lǐng)域［5-6］。Ponder等［7］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米零價(jià)鐵（NZVI）顆粒不僅具有零價(jià)鐵的特性，而且比普通零價(jià)鐵具有更大的比表面積、更高的反應(yīng)活性和更強(qiáng)的吸附性。研究結(jié)果表明，將NZVI固定在某些特定的載體上制成負(fù)載型的NZVI，可有效防止粒子的團(tuán)聚，提高反應(yīng)活性［8-9］。玉米淀粉具有無(wú)毒、廉價(jià)易得、可生物降解和無(wú)二次污染等特點(diǎn)，是一種環(huán)境友好型的材料。

本工作以玉米淀粉為載體，采用液相還原法，將NZVI負(fù)載于玉米淀粉上，制備出一種新型的復(fù)合材料——NZVI/玉米淀粉，并用于溶液中Pb2+的去除?？疾炝巳芤簆H、NZVI/玉米淀粉加入量、初始Pb2+質(zhì)量濃度、反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)吸附效果的影響，以期為含Pb2+廢水的處理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑、材料和儀器

Pb（NO3）2、FeCl3·6H2O、KBH4、HNO3、NaOH、無(wú)水乙醇：分析純。

玉米淀粉：食品級(jí)。

THZ82A型恒溫水浴振蕩器：江蘇金壇儀器廠；NNS-450型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡：捷克FEI有限公司；WFX-120型原子吸收分光光度計(jì)：北京瑞利分析儀器公司；PHS3C型酸度計(jì)：上海雷磁儀器廠。

1.2 NZVI/玉米淀粉的制備

將2.1 g玉米淀粉與50 mL濃度為0.5 mol/L的FeCl3·6H2O溶液混合。再將懸浮液與濃度為2.0 mol/L的KBH4溶液按照體積比為1∶1混合，攪拌至無(wú)氣泡冒出。用磁選法選出NZVI/玉米淀粉粗品，依次用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌3次，在真空干燥箱中于80 ℃下烘干，備用。

1.3 Pb2+的吸附實(shí)驗(yàn)

取50 mL一定質(zhì)量濃度的Pb（NO3）2溶液，置于250 mL的錐形瓶中，加入一定量的NZVI/玉米淀粉，用0.5 mol/L的HNO3溶液或NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH。將錐形瓶置于恒溫水浴振蕩器中，在室溫下，以150 r/min的振蕩速率吸附一定時(shí)間。吸附后溶液以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心5 min，取上清液進(jìn)行分析。

1.4 分析方法

對(duì)NZVI和NZVI/玉米淀粉的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行SEM表征；采用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定溶液的吸光度，計(jì)算Pb2+質(zhì)量濃度、吸附量和去除率。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征結(jié)果

NZVI和NZVI/玉米淀粉的SEM照片見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，NZVI的平均粒徑小于100 nm，呈球形或橢球形，大量的顆粒聚集成堆。這主要是由于磁性納米粒子受地球磁場(chǎng)磁力、小粒子間的靜磁力及表面張力的共同作用，易發(fā)生團(tuán)聚［10］。由圖1還可見(jiàn)，NZVI/玉米淀粉球體間主要呈鏈狀連接，團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少。這有利于提高NZVI的反應(yīng)活性，進(jìn)而提高NZVI/玉米淀粉的吸附效果。

圖1 NZVI和NZVI/玉米淀粉的SEM照片

2.2 溶液pH對(duì)Pb2+吸附效果的影響

在NZVI/玉米淀粉加入量0.2 g/L、初始Pb2+質(zhì)量濃度50 mg/L、反應(yīng)時(shí)間30 min的條件下，溶液pH對(duì)Pb2+吸附效果的影響見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)：隨溶液pH的增大，Pb2+的去除率和吸附量逐漸增加；當(dāng)溶液pH達(dá)到7.5后，Pb2+的去除率和吸附量的增長(zhǎng)趨勢(shì)不再明顯。Pb2+在堿性條件下與過(guò)量的NaOH生成Pb（OH）4-，殘留在溶液中。此外，過(guò)量的NaOH還會(huì)產(chǎn)生二次污染，從而喪失了水處理的意義［11］。因此，綜合考慮NZVI/玉米淀粉對(duì)Pb2+的吸附效果和環(huán)境承載力，選擇溶液pH為7.0較適宜。

圖2 溶液pH對(duì)Pb2+吸附效果的影響

2.3 初始Pb2+質(zhì)量濃度對(duì)Pb2+吸附效果的影響

在溶液pH 7.0、NZVI/玉米淀粉加入量0.8 g/L、反應(yīng)時(shí)間60 min的條件下，初始Pb2+質(zhì)量濃度對(duì)Pb2+吸附效果的影響見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：隨初始Pb2+質(zhì)量濃度的增加，Pb2+去除率逐漸下降，吸附量逐漸增加；當(dāng)初始Pb2+質(zhì)量濃度為60 mg/L時(shí)，吸附量達(dá)到最大值。當(dāng)初始Pb2+質(zhì)量濃度較低時(shí)，溶液中NZVI/玉米淀粉相對(duì)過(guò)量，吸附劑的表面積較大，吸附反應(yīng)的活性位點(diǎn)較多，Pb2+能與NZVI/玉米淀粉充分接觸并發(fā)生反應(yīng)，故Pb2+去除率較高；當(dāng)初始Pb2+質(zhì)量濃度較高時(shí)，NZVI/玉米淀粉的吸附反應(yīng)活性位點(diǎn)相對(duì)減少，導(dǎo)致Pb2+去除率下降［12］。綜合考慮Pb2+的去除率和吸附量，選擇初始Pb2+質(zhì)量濃度為50 mg/L較適宜。

圖3 初始Pb2+質(zhì)量濃度對(duì)Pb2+吸附效果的影響

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)Pb2+吸附效果的影響

在溶液pH 7.0、NZVI/玉米淀粉加入量0.8 g/L、初始Pb2+質(zhì)量濃度50 mg/L的條件下，反應(yīng)時(shí)間對(duì)Pb2+吸附效果的影響見(jiàn)圖4。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)Pb2+吸附效果的影響

由圖4可見(jiàn)：隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，Pb2+的去除率和吸附量均逐漸增加；在反應(yīng)的初始階段，Pb2+的去除率和吸附量的增幅較明顯；當(dāng)吸附時(shí)間為60 min時(shí)，Pb2+的去除率和吸附量基本達(dá)到平衡；繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，Pb2+的去除率和吸附量基本維持不變。因此，選擇反應(yīng)時(shí)間為60 min較適宜。

2.5 NZVI/玉米淀粉加入量對(duì)Pb2+吸附效果的影響

在溶液pH 7.0、初始Pb2+質(zhì)量濃度50 mg/L、反應(yīng)時(shí)間60 min的條件下，NZVI/玉米淀粉加入量對(duì)

Pb2+吸附效果的影響見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)：隨加入量的增加，Pb2+去除率逐漸增加，吸附量逐漸降低；

當(dāng)加入量為0.8 g/L時(shí)，Pb2+去除率達(dá)到93.17％、吸附量為47.27 mg/g；繼續(xù)增大加入量，去除率增加不明顯，吸附量持續(xù)下降。改變加入量相當(dāng)于改變吸附劑的表面積濃度，表面積濃度越大，反應(yīng)速率越快，去除率也越高；但隨加入量的增大，NZVI/

玉米淀粉濃度逐漸增大，吸附量下降［13］。綜合考慮，選擇NZVI/玉米淀粉加入量為0.8 g/L較適宜。

● 去除率；■ 吸附量

3 結(jié)論

a）在溶液pH 7.0、NZVI/玉米淀粉加入量0.8 g/L、初始Pb2+質(zhì)量濃度50 mg/L、反應(yīng)時(shí)間60 min的條件下，NZVI/玉米淀粉對(duì)Pb2+具有較好的吸附效果，Pb2+去除率為93.17％、吸附量為47.27 mg/g。

b）表征結(jié)果顯示，NZVI能有效負(fù)載于玉米淀粉之上，NZVI/玉米淀粉球體間主要呈鏈狀連接，不僅保持了NZVI的特性，而且有效解決了NZVI易團(tuán)聚、易氧化的問(wèn)題，提高了NZVI的反應(yīng)活性，進(jìn)而提高了NZVI/玉米淀粉的吸附效果。

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（編輯 王 馨）

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Preparation of Nano Zero-valent Iron/Cornstarch and Adsorption of Pb2+

Gao Guozhen，Li Jinxuan，Li Xiaoyan，Li Xun，Wang Changbai，He Caiting
（State Key Laboratory Breeding Base of Nuclear Resources and Environment，East China Institute of Technology，Nanchang Jiangxi 330013，China）

Nano zero-valent iron/cornstarch（NZVI/Cornstarch）for removal of Pb2+from solution was prepared by liquid phase reduction method using cornstarch as carrier，and characterized by SEM.The factors affecting Pb2+adsorption were studied.The characterization results show that the NZVI/Cornstarch balls are interconnected in chain shape，which not only retains the characteristics of NZVI，but also reduces the aggregation of the pellets signif cantly.The experimental results show that under the conditions of solution pH 7.0，NZVI/Cornstarch dosage 0.8 g/L，initial Pb2+mass concentration 50 mg/L and reaction time 60 min， the NZVI/Cornstarch has an excellent adsorption effect on Pb2+，the Pb2+removal rate and the adsorption capacity are 93.17％ and 47.27 mg/g respectively.

nano zero-valent iron；cornstarch；loading；lead ion；adsorbent

TQ138.1

A

1006 - 1878（2014）04 - 0376 - 04

2013 - 12 - 03；

2014 - 03 - 21。

高國(guó)振（1989—），男，天津市人，碩士生，研究方向?yàn)閺U水處理與廢物資源化利用。電話 18107942490，電郵gaoguozhen1989@foxmail.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11205030，41201500）；核資源與環(huán)境省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（NRE1320）；放射性地質(zhì)勘探與技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（2011RGET06，REGT1220）。