石墨相氮化碳納米片負(fù)載胱氨酸醌的合成、表征及其對痕量Cd2+和Pb2+的去除*

楊田麗 賀 任 王文磊，2# 郭 琳 李 音 陳 明 肖紅波，2 胡云楚，2

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)理學(xué)院，湖南 長沙 410002；2.中南林業(yè)科技大學(xué)危險(xiǎn)廢物化學(xué)處置與利用研究所，湖南 長沙 410002；3.長沙危險(xiǎn)廢物處置中心，湖南 長沙 410213)

重金屬鎘和鉛對人類健康存在嚴(yán)重危害，如生殖毒性、破壞人體免疫系統(tǒng)、導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病、肝臟損害等[1-4]。《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)中總鎘和總鉛最高允許排放限值分別為0.1、1.0 mg/L。因此，從生態(tài)毒理學(xué)的觀點(diǎn)看，從水體環(huán)境中高效去除痕量Cd2+和Pb2+已成為環(huán)境化學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。氮化碳是一種非金屬光催化材料，在環(huán)境凈化、傳感器和藥物載體等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景[5]。醌胺聚合物是一類聚合物鏈上含有2，5-二氨基-1，4-苯醒功能基團(tuán)的化合物[6]，具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，如對金屬和合金有很強(qiáng)的親和力。本研究制備自組裝聚合物——石墨相氮化碳(g-C3N4)納米片負(fù)載胱氨酸醌(簡寫為胱氨酸醌/g-C3N4)，采用掃描電子顯微鏡(SEM)分析其表面形貌和微觀形態(tài)，并考察該自組裝聚合物對Cd2+和Pb2+的去除效果。

1 材料與方法

1.1 主要儀器與試劑

儀器：超聲儀(JP-020S)；場發(fā)射SEM(Carl Zeiss Supra 55VP/41/46)。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，并使用pH計(jì)(雷磁PHS3C)跟蹤測定溶液反應(yīng)過程中的pH變化。

試劑：胱氨酸、對苯醌、氫氧化鈉、碘酸鉀、乙醇、NaHCO3、聚合氯化鋁、三聚氰胺、硝酸鎘和硝酸鉛均為分析試劑級。

1.2 胱氨酸醌的合成

采用溶液聚合法合成新型的醌胺聚合物——胱氨酸醌。具體步驟：取50 mg胱氨酸超聲分散在0.10 mol/L氫氧化鈉溶液中，攪拌情況下加入4.3 g碘酸鉀，攪拌10 min；逐滴滴加對苯醌溶液(1.1 mg對苯醌溶解在100 mL乙醇/水(體積比7∶3)混合液中)；混合物攪拌12 h后，有沉淀出現(xiàn)；將沉淀物減壓抽濾，依次用去離子水、乙醇/水混合液和無水乙醇反復(fù)清洗，直到濾液無色;殘留物在50 ℃下真空干燥24 h，即可得到胱氨酸醌固體樣品。

1.3 胱氨酸醌/g-C3N4的制備

通過高溫縮聚法以三聚氰胺為原料制備g-C3N4納米片[7-8]。將一定量g-C3N4納米片超聲分散在100 mL乙醇/水混合液中，超聲30 min，使其均勻分散在溶劑中；室溫?cái)嚢钘l件下，加入胱氨酸醌溶液(一定量胱氨酸醌固體溶于NaHCO3溶液)，調(diào)節(jié)混合溶液pH至8后，再在室溫下攪拌30 min；加入5 mg的聚合氯化鋁，并繼續(xù)攪拌60 min后過濾；將獲得的濾液離心，得到的固體用去離子水洗滌3次，并置于60 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h，得到胱氨酸醌/g-C3N4。

5、10、15 mg g-C3N4納米片負(fù)載5 mg胱氨酸醌分別得到不同g-C3N4納米片用量的胱氨酸醌/g-C3N4，分別命名為胱氨酸醌/g-C3N4-5、胱氨酸醌/g-C3N4-10、胱氨酸醌/g-C3N4-15。

1.4 去除實(shí)驗(yàn)與測試方法

Cd2+或Pb2+去除實(shí)驗(yàn)時(shí)，稱取30 mg胱氨酸醌或胱氨酸醌/g-C3N4分別加入到100 mL硝酸鎘溶液(Cd2+為1.0 mg/L)或硝酸鉛溶液(Pb2+為1.0 mg/L)中，攪拌2 h，每隔一定時(shí)間取樣。通過陽極溶出伏安法[9]檢測Cd2+和Pb2+濃度。重復(fù)3次檢測，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，計(jì)算相應(yīng)的去除率。

Cd2+和Pb2+同步去除實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制溶液中Cd2+、Pb2+均為0.5 mg/L，其余步驟同Cd2+或Pb2+去除實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌分析

由圖1可見，胱氨酸醌/g-C3N4表面帶有不同程度凸起的坑面。在納米片層狀結(jié)構(gòu)中明顯有不同程度的負(fù)載疊加現(xiàn)象，層疊結(jié)構(gòu)增加了胱氨酸醌/g-C3N4的比表面積，為重金屬離子的吸附提供了更多的活性位點(diǎn)。

2.2 胱氨酸醌/g-C3N4對Cd2+或Pb2+的去除

Cd2+和Pb2+的去除率隨著g-C3N4納米片用量的增加而提升，胱氨酸醌/g-C3N4-10、胱氨酸醌/g-C3N4-15對Cd2+和Pb2+的去除率明顯高于胱氨酸醌、胱氨酸醌/g-C3N4-5(見圖2)，g-C3N4納米片用量的增加能有效提升自組裝聚合物對重金屬離子的去除率，這可能是由于g-C3N4納米片層狀結(jié)構(gòu)極大擴(kuò)展了比表面積，并為吸附重金屬離子提供了更多的活性位點(diǎn)。5 min時(shí)，胱氨酸醌對Cd2+的去除率約40%，胱氨酸醌/g-C3N4-15則為90%，較胱氨酸醌提升了50百分點(diǎn)，且能將1.0 mg/L Cd2+降低到0.1 mg/L，符合GB 8978—1996。同樣地，胱氨酸醌/g-C3N4對Pb2+同樣具有快速的吸附去除能力，且5 min時(shí)胱氨酸醌/g-C3N4-15對Pb2+的去除率(91%)比胱氨酸醌對Pb2+的去除率(67%)提升了24百分點(diǎn)。

2.3 胱氨酸醌/g-C3N4對Cd2+和Pb2+的同步去除

由圖3可見，胱氨酸醌/g-C3N4對Cd2+和Pb2+可實(shí)現(xiàn)同步去除，10 min內(nèi)胱氨酸醌/g-C3N4對Cd2+有更高的去除率，15 min后胱氨酸醌/g-C3N4對Cd2+和Pb2+有相近且高效的去除率。

3 結(jié) 論

(1)層疊結(jié)構(gòu)增加了胱氨酸醌/g-C3N4的比表面積，為重金屬離子的吸附提供了更多的活性位點(diǎn)。

(2)Cd2+和Pb2+的去除率隨著胱氨酸醌/g-C3N4中g(shù)-C3N4納米片用量的增加而提升。5 min時(shí)，胱氨酸醌/g-C3N4-15對Cd2+和Pb2+的去除率均可達(dá)到90%，比胱氨酸醌分別提高了50百分點(diǎn)、24百分點(diǎn)。

(3)胱氨酸醌/g-C3N4對Cd2+和Pb2+可實(shí)現(xiàn)同步去除。