無機(jī)態(tài)金屬元素的分離與價(jià)態(tài)研究

熊義輝

摘 要：在化學(xué)領(lǐng)域，元素形態(tài)的研究是一大熱點(diǎn)內(nèi)容。值得注意的是，殼聚糖屬于一類高分子吸附劑，此類物質(zhì)的成分具備天然的特性，因此在無機(jī)態(tài)金屬元素的分離與價(jià)態(tài)研究過程中，有必要將殼聚糖作為研究對(duì)象，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)殼聚糖對(duì)相關(guān)無機(jī)態(tài)金屬元素離子的吸附作用，從而更好地了解并掌握無機(jī)態(tài)金屬元素的分離與價(jià)態(tài)情況。

關(guān)鍵詞：無機(jī)態(tài)金屬元素；分離；價(jià)態(tài)；殼聚糖

進(jìn)入21世紀(jì)以來，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)健發(fā)展的背景下，我國在化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的工作也如火如荼的開展?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)研究工作的開展，實(shí)際上是為了解決日常生活的一些問題，比如水污染問題、水凈化問題等等。而在無機(jī)態(tài)金屬元素的分離與價(jià)態(tài)研究過程中，便不得不提到殼聚糖。之前有研究者表示：殼聚糖對(duì)正二價(jià)的諸多無機(jī)態(tài)金屬元素離子均具備吸附作用，包括：正二價(jià)的銅（Cu2+）、正二價(jià)的鋅（Zn2+）、正二價(jià)的鈷（Co2+）、正二價(jià)的鎳（Ni2+）、正二價(jià)的鉛（Pb2+）、正二價(jià)的鎘（Cd2+）等[1]。為了深入了解無機(jī)態(tài)金屬元素的分離與價(jià)態(tài)，因此針對(duì)“無機(jī)態(tài)金屬元素的分離與價(jià)態(tài)”進(jìn)行研究具備一定的價(jià)值意義。

一、金屬元素分離的方法分析

從現(xiàn)狀來看，在測定金屬元素過程中，主要采取吸附劑，或者采取樹脂分離及富集方法，涉及的主要方法包括：活性炭法、黃原脂棉法、藍(lán)藻法以及泡沫塑料法等等。對(duì)于這些金屬元素測定方法來說，能夠使金屬元素的分離得到有效實(shí)現(xiàn)，還可以使金屬元素的富集測定得到有效實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)也存在一些問題，主要包括：（1）側(cè)重于對(duì)金屬元素總量的測定，而對(duì)于元素價(jià)態(tài)的分析則較為輕視；（2）通常只能對(duì)1-3種元素分離，對(duì)于多類元素同時(shí)分離則難以實(shí)現(xiàn)[2]。

針對(duì)上述金屬元素測定分析方法的不足，此次重點(diǎn)提到殼聚糖分析方法。對(duì)于殼聚糖來說，屬于一類存在高分子性質(zhì)的聚合物，具備天然和線性兩大層面的特征，可以經(jīng)甲殼素脫乙酰的方法獲?。慌c此同時(shí)，在殼聚糖當(dāng)中的高分子鏈段當(dāng)中，具備一類—NH2活性集團(tuán)，此類物質(zhì)可以和許多重金屬離子發(fā)生反應(yīng)，比如：和Cu2+、Zn2+、Co2+、Ni2+等發(fā)生反應(yīng)；同時(shí)，還可以和正三價(jià)的鋁離子（Al3+）發(fā)生反應(yīng)，生成配位化合物。由于殼聚糖存在上述特性，所以可以應(yīng)用殼聚糖，針對(duì)Cu2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Pb2+、Cd2+進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，然后對(duì)其吸附作用進(jìn)行分析，同時(shí)分析吸附過程產(chǎn)生的影響及涉及的條件等，在得出上述6類金屬離子測定方法的基礎(chǔ)上，使上述6類金屬元素離子的價(jià)態(tài)分析得到有效實(shí)現(xiàn)。

二、分析實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

為了分析無機(jī)態(tài)金屬元素的分離及價(jià)態(tài)情況，本次進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作，具體的實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果如下：

（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備分析

在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，需準(zhǔn)備好需應(yīng)用到的實(shí)驗(yàn)儀器，包括：WYX-402原子吸收分光光度儀、HY-4多用型調(diào)速振蕩器。與此同時(shí)，需準(zhǔn)備好需應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)的試劑，包括：殼聚糖、玻璃層析柱，Cu2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Pb2+、Cd2+的準(zhǔn)備液，濃硫酸、濃鹽酸、氫氧化鈉以及二次去離子水等。

（二）實(shí)驗(yàn)方法分析

在本次實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)用了飽和吸附量法和分離測定法，具體方法內(nèi)容如下：

（1）飽和吸附量法。分別取Cu2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Pb2+、Cd2+準(zhǔn)備液30ml，然后將0.3g的殼聚糖倒置錐形瓶當(dāng)中，進(jìn)一步把全部準(zhǔn)備液倒入，并用鹽酸把氯氧化鈉的pH值控制在5左右，把溶液放置調(diào)速振蕩器上面，在10h內(nèi)，每間隔1h，進(jìn)行1次取樣，然后對(duì)樣品當(dāng)中Cu2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Pb2+、Cd2+的含量進(jìn)行測定，并計(jì)算出每一類金屬離子的飽和吸附量。

（2）分離測定法。在采取此類方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中，有必要針對(duì)每一類元素分別進(jìn)行檢測，并且相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器需滿足一定的工作要求，包括：（1）Cu2+，分析線324.8nm，電燈流2mA，燃燒器高度5mm；（2）Zn2+，分析線213.9nm，電燈流5mA，燃燒器高度1mm；（3）Co2+，分析線240.7nm，電燈流7mA，燃燒器高度1mm；（4）Ni2+，分析線232.0nm，電燈流8mA，燃燒器高度1mm；（5）Pb2+，分析線283.2nm，電燈流3mA，燃燒器高度0mm；（6）Cd2+，分析線228.8nm，電燈流5mA，燃燒器高度5mm。值得注意的是，Zn2+的乙炔流量為0.08m3/h，而其他五種離子，即Cu2+、Co2+、Ni2+、Pb2+、Cd2+的乙炔流量則為0.1m3/h；以上6種離子的空氣流量都為0.4m3/h。然后把1.2g殼聚糖盛裝至玻璃層析柱當(dāng)中，使用100ml的燒杯分別添加1ml上述6種金屬元素離子準(zhǔn)備液，添加適量的水，然后稀釋至60ml，進(jìn)一步采取用鹽酸將氫氧化鈉的pH值調(diào)節(jié)到5左右，然后以1ml/min的速度經(jīng)過殼聚糖柱，然后用水調(diào)節(jié)到中性。在洗脫劑方面，所采取的是濃度為10%的氫氧化鈉，取40ml，以1ml/min的速度洗脫，然后把洗脫好的溶液定容至50ml的容量瓶當(dāng)中，利用火焰原子吸收法測定上述提到的6類金屬元素離子的含量[3]。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)殼聚糖對(duì)Cu2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Pb2+、Cd2+無機(jī)態(tài)金屬元素離子均具備吸附作用，具體的影響作用如下：

（1）在酸度方面的影響。結(jié)合實(shí)驗(yàn)可知，倘若pH值偏低，即當(dāng)酸度偏高的情況下，殼聚糖對(duì)Cu2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Pb2+、Cd2+的吸附作用均偏低；主要是因?yàn)?，?dāng)酸度偏高的條件下，殼聚糖當(dāng)中的—NH2會(huì)和氮原子結(jié)合，使得原本具備的配位能力失去，進(jìn)一步使殼聚糖吸附金屬離子的能力下降，并且當(dāng)酸度越來越高的情況下，殼聚糖的吸附率則越低。當(dāng)pH值維持在5的條件下，殼聚糖的吸附率最高；倘若pH值繼續(xù)上升，金屬離子則會(huì)產(chǎn)生水解現(xiàn)象，這樣便使得殼聚糖的吸附能力降低；所以，將pH值控制在5，殼聚糖的吸附能力最高[4]。endprint

（2）在時(shí)間方面的影響。對(duì)于Cu2+、Zn2+、Ni2+來說，當(dāng)吸附時(shí)間為5h的情況下，處于一個(gè)平衡的狀態(tài)；Co2+、Pb2+，在吸附時(shí)間為4h的情況下，處于平衡狀態(tài)；此外，對(duì)于Cd2+在吸附時(shí)間為6h的情況下，處于平衡狀態(tài)。

（3）在洗脫劑方面的影響?；谧顑?yōu)化條件下，在洗脫劑方面分別選取濃硫酸、濃鹽酸、濃硝酸，結(jié)果顯示：濃硫酸不會(huì)使殼聚糖產(chǎn)生質(zhì)子化現(xiàn)象，但濃鹽酸和濃硝酸會(huì)導(dǎo)致殼聚糖產(chǎn)生質(zhì)子化現(xiàn)象，使殼聚糖粘稠度增加，這樣便會(huì)進(jìn)一步使實(shí)驗(yàn)的效果受到影響[5]。所以，在實(shí)驗(yàn)過程中，需將濃硫酸作為洗脫劑，從而使實(shí)驗(yàn)效果得到有效保保障。

（4）在流速及共存離子方面的影響。基于最優(yōu)化條件下，流速控制為1ml/min，則元素回收率不會(huì)產(chǎn)生較大的影響。與此同時(shí)，對(duì)于殼聚糖，不會(huì)對(duì)造成鉀離子、鈉離子、鈣離子以及鎂離子等造成吸附；基于過玻璃層析柱期間，這些離子會(huì)和被測離子呈現(xiàn)相互分離的關(guān)系，不會(huì)對(duì)測定結(jié)果產(chǎn)生影響。此外，對(duì)于Al3+、Fe3+等離子來說，雖會(huì)被殼聚糖吸附，但不會(huì)對(duì)測定結(jié)果產(chǎn)生影響。

三、結(jié)論

通過本課題的探究，認(rèn)識(shí)到由于殼聚糖對(duì)Cu2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Pb2+、Cd2+無機(jī)態(tài)金屬元素離子均具備吸附作用，所以在無機(jī)態(tài)金屬元素的分離與價(jià)態(tài)分析過程中，可應(yīng)用到殼聚糖，在實(shí)驗(yàn)過程中利用飽和吸附量法和分離測定法，進(jìn)一步利用火焰原子吸收法對(duì)上述6種金屬元素離子進(jìn)行價(jià)態(tài)分析，從而為深入了解無機(jī)態(tài)金屬元素的分離與價(jià)態(tài)提供科學(xué)有效的方法支撐。

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