印跡材料對(duì)水溶液中鎳離子的選擇吸附研究

孫浩原

印跡材料對(duì)水溶液中鎳離子的選擇吸附研究

孫浩原

（沈陽(yáng)眾佑科技有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110000）

使用離子印跡材料對(duì)Ni（II）-Co（II）二元體系溶液中的金屬離子選擇吸附性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在溶液中存在單一Ni（II）時(shí)，其飽和吸附量為8.602 mg/g。在Ni（II）-Co（II）的二元體系水溶液中，當(dāng)Ni（II）-Co（II）離子濃度比為1∶1以及1∶4時(shí)，鎳離子已經(jīng)被吸附完全而鈷離子的吸附量很少。鎳離子分配系數(shù)K為237.5，而鈷離子的分配系數(shù)只有0.104 4，選擇系數(shù)為22 274.90，表現(xiàn)出來(lái)了良好的選擇吸附能力。鎳離子印跡材料的吸附符合動(dòng)力學(xué)二級(jí)模型。

離子印跡；鎳離子；選擇性吸附；動(dòng)力學(xué)模型

鎳具有優(yōu)良的高度磨光性、催化性能和抗腐蝕性等性能，被廣泛地應(yīng)用于催化劑、貨幣制造、抗腐蝕等領(lǐng)域[1, 2]。在水溶液在，鎳主要以二價(jià)離子的形式存在。鎳離子對(duì)生物具有毒性[3]。因此，含有鎳離子的工業(yè)廢水被嚴(yán)格限制排放。作為一種重要的重金屬金屬，如何從工業(yè)廢水中有效的分離和提取鎳離子，對(duì)環(huán)境保護(hù)和金屬離子回收均有重要的意義。目前處理工業(yè)廢水中鎳離子的方法有以下幾種:電解法[4]、化學(xué)沉淀法[5]、離子交換法[6]、吸附法[7]等。

在工業(yè)廢水溶液體系中，經(jīng)常存在不止一種金屬離子。因此如果對(duì)工業(yè)廢水溶液體系中的金屬離子進(jìn)行單獨(dú)分離與提取，就成為一個(gè)研究者關(guān)注的熱點(diǎn)研究。目前，萃取法是現(xiàn)代工業(yè)中使用的一種非常有效和實(shí)用的方法，可以有效分離出水溶液中的金屬離子[8]。 近年來(lái)，離子印跡方法得到了越來(lái)越多的關(guān)注，將離子印跡材料基礎(chǔ)用于金屬離子的提取和分離成為研究的熱點(diǎn)[9]。

本文針對(duì)鎳離子和鈷離子共存狀態(tài)下，探究了印跡材料對(duì)鎳離子的吸附性能，對(duì)選擇性吸附能力以及特異性識(shí)別機(jī)理也進(jìn)行了探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

在35 ℃、pH=6的條件下，在單一鎳離子體系以及Ni（II）-Co（II）離子二元體系中對(duì)以改性殼聚糖為基礎(chǔ)制備的鎳離子印跡材料進(jìn)行吸附性能的測(cè)試。分別設(shè)計(jì)了3組實(shí)驗(yàn)，每組做了3次平行實(shí)驗(yàn)取平均值來(lái)保證結(jié)果的準(zhǔn)確度。其中第1組為單一組分Ni（II）離子的吸附性能，第2組為Ni（II）-Co（II）離子的濃度為1∶1時(shí)印跡材料的吸附性能，第3組為Ni（II）-Co（II）離子的濃度為1:4時(shí)印跡材料的吸附性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 選擇性吸附性能分析

使用如下的吸附容量公式來(lái)計(jì)算溶液中單位質(zhì)量的印跡材料吸附前后溶液中濃度的變化。

=（-）/

式中：吸附容量 —單位體積的溶液中單位質(zhì)量的印跡材料吸附前后溶液中濃度的變化，反映了印跡材料的吸附能力；

—對(duì)映體；

—代表印跡微球的平衡吸附容量；

和—分別為吸附前后Ni（Ⅱ）離子的質(zhì)量濃度，（mol·L）；

—實(shí)驗(yàn)中吸附液體積，mL；

—印跡微球球干球質(zhì)量，g。

表1是Ni（II）-Co（II）離子二元體系中印跡微球?qū)i（II）離子的選擇性吸附情況的數(shù)據(jù)以及計(jì)算分析的結(jié)果。由表1可知，當(dāng)溶液中只存在單一的Ni（II）時(shí)，印跡微球達(dá)到了飽和吸附量，其值為8.602 mg/g。在Ni（II）-Co（II）離子的濃度為1∶1時(shí)，印跡微球吸附的鎳離子含量不變，對(duì)鈷離子基本不吸附，吸附量為0.122 2 mg/g。當(dāng)Ni（II）-Co（II）離子的濃度為1∶4時(shí)，鎳離子已經(jīng)被吸附完全，鈷離子的吸附量依然很少，為0.122 2 mg/g。

吸附系數(shù)K又稱分配系數(shù)，指在一定濃度下，處于平衡狀態(tài)時(shí)，模板離子附著在吸附劑表面的流體濃度與溶液中的濃度比，反映了吸附量與濃度的關(guān)系。計(jì)算吸附系數(shù)的公式如下所示：

K=C/C=/

式中：C—平衡時(shí)膜中流體濃度；

C—主流體濃度。

選擇性系數(shù)代表的是兩種模板離子的分配系數(shù)的比。反映了印跡材料的選擇性吸附能力。

=K1/K2

其中：K1和K2—分別為溶液中不同組分的吸附系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，鎳離子的飽和吸附量為0.145 9 mol/g，分配系數(shù)K為237.5，而鈷離子的分配系數(shù)只有0.104 4，在Ni2+/ Co2+的二元體系中，選擇系數(shù)達(dá)到了22 274.90。從數(shù)據(jù)中可以看出，制備的鎳離子印跡材料表現(xiàn)出來(lái)了很好的選擇吸附能力。在Ni2+/ Co2+的二元體系中，鎳離子的飽和吸附量Q為8.602 mg/g，分配系數(shù)K為44.346 5，而鈷離子的分配系數(shù)只有0.007 14，選擇系數(shù)達(dá)到了6 210.99。

表1 Ni（II）-Co（II）離子體系中金屬離子的吸附性能

2.2 吸附動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)印跡材料的時(shí)間-吸附量曲線進(jìn)行測(cè)試并建立動(dòng)力學(xué)模型。動(dòng)力學(xué)二級(jí)模型的表達(dá)式為：

因此反應(yīng)速率方程為：

當(dāng)=0時(shí)，初始反應(yīng)速率為0，在=0處取切線，求斜率得到了初始反應(yīng)速率。

則動(dòng)力學(xué)二級(jí)模型的表達(dá)式可寫(xiě)為：

即可求出2的值。

其中：q—時(shí)刻的印跡材料的吸附量，mg/g；

max—平衡時(shí)印跡材料的吸附量，mg/g；

2—?jiǎng)恿W(xué)二級(jí)模型速率系數(shù)；

—誤差；

—吸附反應(yīng)速率，g/min。

通過(guò)/q對(duì)作圖，可得出0（截距）、2（斜率2/截距）、q（1/斜率）。各動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2和圖1。

圖1 二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（A 30 ℃、B 35 ℃、C 40 ℃）

表2 動(dòng)力學(xué)二級(jí)模型參數(shù)（ pH =6）

如果0越大，印跡材料的性能研究值越大, 則意味著吸附速率越快。得到一條直線說(shuō)明吸附過(guò)程符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。 相對(duì)于動(dòng)力學(xué)一級(jí)模型來(lái)說(shuō)，二級(jí)吸附模型揭示整個(gè)吸附過(guò)程的行為而且與速率控制步驟相一致。

4 結(jié) 論

鎳離子印跡材料對(duì)鎳離子的飽和吸附量Q為8.608 mg/g，在Ni2+/ Co2+的二元體系中，分配系數(shù)為237.5，而鈷離子的分配系數(shù)只有0.104 4，選擇系數(shù)達(dá)到了22 274.90。在多元體系中依然保持良好的選擇性吸附能力。鎳離子印跡材料的吸附符合動(dòng)力學(xué)二級(jí)模型。

［1］Holan ZR, Volesky B, Prasetyo I. Bioseparation of cadmium by biomass of marine algae［J］., 1993，4: 819-25.

［2］L. Benea, P.L. Bonora, A. Borello, S. Martelli, Effect of SiC size dimensions on the corrosion wear resistance of the electrodeposited composite coating［J］.，2001，249: 995-1003.

［3］Holan ZR, Volesky B, Prasetyo I. Bioseparation of cadmium by biomass of marine algae［J］., 1993, 4: 819-25.

［4］Shanhong Lan, Feng Ju, Xiuwen Wu. Treatment of wastewater containing EDTA-Cu（II） using the combined process of interiormicroelectrolysis and Fenton oxidation–coagulation［J］., 2012, 89: 117-124.

［5］Yu-Jen Shih, Chih-Ping Lin, Yao-Hui Huang. Application of Fered-Fenton and chemical precipitation process for the treatment of electroless nickel plating wastewater［J］., 2013, 104: 100-105.

［6］Verbych Svetlana, Hilal Nidal, Sorokin Genady, et al. Ion exchange extraction of heavy metal ions from waste water[J]., 2004, 39（9）: 2031-2040.

［7］Yue Zhao, Hui Chen, QunYan. Enhanced phosphate removal during the simultaneous adsorption of phosphate and Ni2+from electroless nickel wastewater by calcium silicate hydrate （CSH）［J］., 2017, 8: 141-149.

［8］譚天偉, 賀小進(jìn), 杜衛(wèi)霞. 殼聚糖金屬離子印跡樹(shù)脂的吸附模型[J]. 化工學(xué)報(bào)，2001，52（2）：176-177.

［9］買迪娜木·阿不都瓦依提, 司馬義·努爾拉, 肖開(kāi)提·阿布力孜. Cu（II）印跡丙烯腈-co-苯乙烯微球的制備與對(duì)Cu（II）的選擇性吸附[J]. 分析試驗(yàn)室, 2013，732: 7-8．

Study on Selective Adsorption of Nickel Ions in Aqueous Solutions by Imprinted Materials

（Shenyang Zhongyou Technology Co., Ltd., Liaoning Shenyang 110000, China）

The selective adsorption properties of ion-imprinted materials for metal ions in Ni(II)-Co(II) binary system solution were studied. The results showed that when there was a single Ni(II) in the solution, its saturated adsorption quantityewas 8.602 mg/g. In the aqueous solution of Ni(II)-Co(II) binary system, when the concentration ratio of Ni(II)-Co(II) ions was 1∶1 and 1∶4, the nickel ions had been completely absorbed and the adsorption capacity of cobalt ions was very small. The distribution coefficientdof nickel ion was 237.5, while the distribution coefficient of cobalt ion was only 0.1044, and the selection coefficient was 22274.90, which showed a good selective adsorption capacity. The adsorption of nickel ion-imprinted material conformed to the kinetic secondary model.

Nickel ions; Ion imprinted; Selective adsorption; Kinetic models

2020-04-13

孫浩原（1986-），男，中級(jí)工程師，碩士，遼寧省沈陽(yáng)市人，2013年畢業(yè)于英國(guó)謝菲爾德大學(xué)國(guó)際商業(yè)管理專業(yè)，研究方向：垃圾滲濾液MVR蒸發(fā)器設(shè)備高溫阻垢劑研發(fā)、應(yīng)用、市場(chǎng)推廣。

TQ 201

A

1004-0935（2020）05-0478-03