海藻酸鈉-聚乙烯醇-聚乙二醇復合膜的制備及其對Cu2+的吸附

王 婷，王 玲，何娉婷，薛建軍，孫 瑤

（南京航空航天大學 材料科學與技術學院，江蘇 南京 210016）

Cu2+是一種較為常見的重金屬污染物，主要來源于電鍍、冶金、采礦、機械加工等行業(yè)的廢水［1-2］。如未經(jīng)處理直接排放，不僅會對人類健康造成危害，還會嚴重污染環(huán)境和自然界的其他生物［3］。目前，對含Cu2+廢水的處理方法主要有電解法、化學沉淀法、活性炭吸附法［4-6］。電解法處理廢水能耗大、費用相對較高，化學沉淀法使用的化學試劑易造成二次污染，活性炭吸附法運行不穩(wěn)定、易飽和、后期處理成本高。

海藻酸鈉（SA）是一種天然的高分子，具有良好的溶解特性、成膜性，對于重金屬離子具有很好的吸附效果［7］。由于SA具有很強的親水性，成膜后的強度低且易碎，因此，需要對SA進行改性，制備出有一定機械強度且對重金屬離子有高吸附性能的膜材料。國外有關SA復合膜的制備及其吸附性能的研究較少，主要是將SA與某種物質(zhì)聯(lián)用制備醫(yī)用材料［8-9］。國內(nèi)對于SA復合膜的研究相對較多，但基本上均為通過加入一種新物質(zhì)進行改性制備光催化薄膜或雙極膜［10-11］。

本工作采用聚乙二醇（PEG）和聚乙烯醇（PVA）對SA進行改性，以增強其物理性能和吸附性能，并用于處理模擬含Cu2+廢水，為SA-PVAPEG復合膜的制備及應用提供了理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

SA、五水硫酸銅：分析純；PEG：相對分子質(zhì)量6 000；PVA：相對分子質(zhì)量15 000。

采用五水硫酸銅配制模擬含Cu2+廢水。

UV-1800型紫外分光光度儀、A ffinity-1型紅外光譜儀：島津（中國）有限公司；Quanta 200型掃描電子顯微鏡：荷蘭FEI公司；PHS-3C型pH計：上海精科儀器有限公司。

1.2 復合膜的制備

按照m（SA）∶m（PVA）=3∶1，配制SA與PVA的混合溶液。再按照m（SA）∶m（PEG）=5∶1的比例，將PEG加入到混合溶液中，攪拌均勻。減壓脫泡后涂膜于干凈的玻璃板上，真空干燥，以CaCl2為交聯(lián)劑進行交聯(lián)反應，制得復合膜。將復合膜裁剪為4 cm×4 cm，備用。

1.3 吸附實驗

按照1 g/L的加入量，將復合膜浸泡在500 m L一定質(zhì)量濃度的模擬含Cu2+廢水中，以150 r/m in的攪拌轉(zhuǎn)速，振蕩吸附一定時間。

1.4 分析方法

采用紫外分光光度法測定廢水中Cu2+質(zhì)量濃度［12］。采用SEM技術對復合膜進行表征；采用IR技術對復合膜的官能團進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 復合膜的SEM表征結(jié)果

復合膜的表面SEM照片和截面SEM照片分別見圖1和圖2。由圖1可見，復合膜表面凹凸不平，呈現(xiàn)一定的孔狀結(jié)構(gòu)，這有利于復合膜對Cu2+的物理吸附。由圖2可見，復合膜內(nèi)部也存在孔狀結(jié)構(gòu)，復合膜的比表面積增大，與Cu2+吸附的活性位點增多，有利于Cu2+吸附率的提高。

圖1 復合膜的表面SEM照片

圖2 復合膜的截面SEM照片

2.2 復合膜的IR表征結(jié)果

吸附前后復合膜的IR譜圖見圖3。由圖3可見：吸附后復合膜在1 100 cm-1處CO-基團的吸附峰明顯減弱，說明Cu2+與CO-基團發(fā)生了反應，CO-基團是吸附Cu2+的主要基團；在2 900 cm-1處OH-的特征峰也明顯減弱，說明OH-也與Cu2+發(fā)生反應，生成了Cu（OH）2沉淀；吸附后復合膜的特征吸收峰型變寬且發(fā)生一定位移，這表明復合膜吸附Cu2+不僅是絡合作用，也可能是靜電作用力和范德華力共同作用的結(jié)果。

圖3 吸附前后復合膜的IR譜圖

2.3 廢水pH對吸附率的影響

廢水中的H+會與Cu2+競爭復合膜的活性位點。因此，廢水中H+含量會直接影響復合膜對廢水的處理效果。在初始Cu2+質(zhì)量濃度50 mg/L、吸附溫度30 ℃、吸附時間60 m in的條件下，廢水pH對吸附率的影響見圖4。由圖4可見，隨廢水pH的增加，吸附率顯著增加。當廢水pH較低時，溶液中存在大量的H+占據(jù)了復合膜表面的活性位點，所以吸附率較低；當廢水pH>5時，吸附率增加緩慢，主要是由于此時產(chǎn)生了Cu（OH）2沉淀，它不僅占據(jù)了復合膜的吸附活性位點，還阻礙了Cu2+與復合膜表面的不飽和離子發(fā)生離子交換反應以及復合膜表面的羧基和羥基等與Cu2+發(fā)生螯合作用。綜合考慮，選擇廢水pH=5較適宜。

圖4 廢水pH對吸附率的影響

2.4 吸附溫度對吸附率的影響

吸附溫度會影響溶液中離子的運動速率，對離子的吸附及解吸過程產(chǎn)生一定作用，所以要控制適當?shù)奈綔囟龋箯秃夏み_到最佳吸附狀態(tài)。在初始Cu2+質(zhì)量濃度50 mg/L、吸附時間60 min、廢水pH=5的條件下，吸附溫度對吸附率的影響見圖5。由圖5可見，隨吸附溫度的增加，吸附率先增大后減小。復合膜與Cu2+之間的相互作用包括復合膜表面的不飽和離子與Cu2+發(fā)生離子交換反應，膜表面具有的孤電子對（羧基、羥基等）與Cu2+發(fā)生螯合作用，以及膜表面的負電性基團與Cu2+產(chǎn)生靜電吸附作用。當吸附溫度由20 ℃升至30 ℃時，溫度的升高導致溶液中離子運動速率加快，促進復合膜表面的不飽和離子與Cu2+發(fā)生離子交換反應，有利于復合膜表面的羧基、羥基等與Cu2+發(fā)生螯合作用，此時這兩個因素占主導作用，所以吸附率增加；當吸附溫度由30 ℃升至50 ℃時，由于復合膜吸附Cu2+的過程中存在著吸附與解吸平衡，溫度升高導致解吸過程的進行，另外溫度的升高還導致復合膜表面活性位點的活性降低，所以吸附率呈下降趨勢。因此，后續(xù)實驗選擇吸附溫度為30 ℃。

圖5 吸附溫度對吸附率的影響

2.5 吸附時間對吸附率的影響

在初始Cu2+質(zhì)量濃度50 mg/L、廢水pH=5、吸附溫度30 ℃的條件下，吸附時間對吸附率的影響見圖6。由圖6可見：當吸附時間為0~60 min時，吸附率迅速增加，主要是由于初始階段復合膜上的活性位點多，復合膜表面有大量的不飽和離子和具有孤電子對的羧基、羥基等基團可與Cu2+發(fā)生離子交換反應和螯合作用；隨吸附時間的延長，復合膜表面的不飽和離子、羧基、羥基與Cu2+發(fā)生的離子交換反應和螯合作用已處于平衡狀態(tài)；當吸附時間為60 m in時，吸附基本達飽和。因此，選擇吸附時間為60 m in較適宜。

2.6 吸附動力學分析

在初始Cu2+質(zhì)量濃度50 mg/L、廢水pH=5、吸附溫度30 ℃的條件下，吸附動力學的曲線見圖7。由圖7可見：隨吸附時間的延長，吸附量逐漸增加；當吸附時間為60 m in時，吸附基本達到平衡。

分別采用一級動力學方程、二級動力學方程和Elovich方程對吸附動力學數(shù)據(jù)進行擬合，相關系數(shù)（r）分別為0.574，0.969，0.946。由此可見，在3種動力學方程中，二級動力學方程和Elovice方程對復合膜吸附Cu2+的動力學過程擬合較好，說明吸附過程不是簡單的一級吸附，而是存在內(nèi)部吸附及吸附-解吸競爭的過程。

圖7 吸附動力學的曲線

2.7 等溫吸附線

采用Langm uir 等溫吸附方程（見式（1））對不同溫度下復合膜對Cu2+的吸附等溫線進行擬合，1/qe~1/ρe的關系曲線見圖8，擬合結(jié)果見表1。

式中：ρe為吸附平衡時Cu2+質(zhì)量濃度，mg/L；qe為平衡吸附量，mg/g；qsat為飽和吸附量，mg/g；b為Langmuir吸附系數(shù)，L/mg。

圖8 1/q e~1/ρe的關系曲線

表1 Langmuir等溫吸附方程擬合結(jié)果

由圖8和表1可見：Langmuir等溫吸附方程對復合膜吸附Cu2+的過程擬合較好；理論單層飽和吸附量與實驗值相吻合。因此，復合膜吸附Cu2+的過程符合Langmuir單層吸附理論。

2.8 復合膜的解吸與重復利用

在初始Cu2+質(zhì)量濃度50 mg/L、復合膜加入量1 g/L、廢水pH=5、吸附溫度30 ℃、吸附時間60 min的最佳條件下，吸附率最高可達90.1%，吸附量達25.3 mg/g。采用濃度為1 mol/L的HCl溶液對吸附后的復合膜進行解吸，當解吸時間為2 m in時，解吸率可達80.0%。將解吸后的復合膜進行重復利用，吸附率最高可以達到80.0%。

3 結(jié)論

a）由SA，PVA，PEG制備的SA-PVA-PEG復合膜對于Cu2+具有良好的吸附效果。在初始Cu2+質(zhì)量濃度50 mg/L、復合膜加入量1 g/L、廢水pH=5、吸附溫度30 ℃、吸附時間60 m in的最佳條件下，吸附率最高可達90.1%，吸附量達25.3 mg/g。

b）動力學擬合結(jié)果表明，二級動力學方程和Elovice方程可以更好地擬合復合膜對Cu2+的吸附過程。該吸附過程符合Langmuir單層吸附理論。

c） 采用濃度為1 mol/L的HCl溶液對吸附后的復合膜進行解吸，當解吸時間為2 m in時，解吸率可達80.0%。

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