吸附劑制備及其對(duì)水中鉛、鎘離子的吸附研究

徐景峰，吳芳珍，宋智謙，劉昌福，舒 越

(常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證學(xué)院，江蘇 常州 213164)

重金屬通過(guò)食物鏈危害人類健康[1]。目前處理水中重金屬離子常用的有離子交換法、膜過(guò)濾和吸附法等[2-3]。其中吸附法工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但傳統(tǒng)吸附材料通常價(jià)格昂貴、反應(yīng)速率慢、分離再生困難，限制其廣泛應(yīng)用[4]。

快速高效，成本較低，易于分離的吸附物質(zhì)是水體重金屬修復(fù)行業(yè)最具前景的技術(shù)之一。水凝膠是一類親水溶脹又不溶解的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高分子物質(zhì)，可為外部分子或離子提供快速進(jìn)入的通道。它具有吸附量高，操作簡(jiǎn)單，易于分離的優(yōu)點(diǎn)，為解決重金屬水污染難題提供了新思路。本文以尋求性能優(yōu)異的吸附劑為目的，研究了吸水性的高分子聚合物復(fù)合皂土等無(wú)機(jī)礦物，制備吸附重金屬鉛和鎘的復(fù)合物質(zhì)。通過(guò)紅外和掃描電鏡進(jìn)行表征，考察復(fù)合物的吸水性及對(duì)鉛、鎘離子的去除效率，為今后的實(shí)際推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要試劑

粉煤灰、活性炭、米糠、γ-Al2O3，工業(yè)品；皂土、硅藻土、氫氧化鈉，分析純，江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)有限公司；丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)，分析純，上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑有限公司；過(guò)硫酸銨、甲醛合次硫酸氫鈉、2,2-偶氮二(2-甲基丙基咪)，分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 mg/mL)、鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 mg/mL)，國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心。

1.2 吸附劑制備

移取丙烯酸30 mL，冰水冷卻，滴加濃度為7.5 mol/L氫氧化鈉進(jìn)行中和，加入10 g丙烯酰胺，攪拌溶解完全。加入20 g皂土和交聯(lián)劑適量，繼續(xù)攪拌均勻。將混合物轉(zhuǎn)移到塑料容器中，然后置于40 ℃的水浴鍋中加熱，充氮?dú)獬?，加入一定量的引發(fā)劑(過(guò)硫酸銨、甲醛合次硫酸氫鈉和2，2-偶氮二(2-甲基丙基咪))，繼續(xù)振蕩至反應(yīng)液變得黏稠，保溫反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后取膠體中間部分剪碎，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱90 ℃烘干，備用。

1.3 性能測(cè)試方法

1)吸水性評(píng)價(jià)。取烘干后的大小均勻聚合物顆粒稱量，放入干凈的燒杯中，加入一定量的蒸餾水，浸泡12 h，取出，用干凈的濾紙擦去表面的水分，稱量，計(jì)算吸水率。

對(duì)鉛、鎘離子吸附性的評(píng)價(jià)。移取25 mL鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液、5 mL鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液、20 mL蒸餾水于50 mL比色管中。然后將烘干后的吸附劑，研磨過(guò)篩，過(guò)40～80目的篩，取粉末0.1 g置于比色管中。將比色管放入翻轉(zhuǎn)式振蕩器中振蕩6 h以上。振蕩結(jié)束后，將比色管中的溶液定容到100mL容量瓶中過(guò)濾，濾液用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定鉛、鎘吸光度，計(jì)算吸附率。

2 結(jié)果與討論

2.1 無(wú)機(jī)物質(zhì)的篩選

表1是幾種無(wú)機(jī)物質(zhì)對(duì)鉛、鎘離子的吸附性能。

表1 幾種無(wú)機(jī)物質(zhì)對(duì)鉛、鎘離子的吸附性能

從表1可知，皂土、酸化皂土及煤灰對(duì)鉛離子的吸附率較高，達(dá)到90%以上，但只有皂土和酸化皂土對(duì)鎘的吸附率高，約90%?？紤]酸化皂土的酸化問(wèn)題，所以本文在吸附劑的制備中使用原皂土。

2.2 吸附劑的結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 FT-IR

圖1是吸附劑的FT-IR光譜。

圖1 吸附劑的FTIR

從圖1可以看出，在3 435 cm-1處為O—H鍵的伸縮振動(dòng)峰；1 672 cm-1處是酰胺基(—CO—NH2)中CO的特征吸收峰；1 570 cm-1處為AA、MBA單體中羰基(CO)相互作用后的伸縮振動(dòng)峰；1 454 cm-1是—CH3的變形振動(dòng)吸收峰；1 411 cm-1處為酰胺基團(tuán)中C—N鍵的伸縮振動(dòng)峰；1 043、523 cm-1為Si—O—Al 彎曲振動(dòng)峰[4]。說(shuō)明成功合成了吸水性的高分子聚合物，且皂土分布在聚合物中。

2.2.2 形貌分析

將制備所得的復(fù)合物放在烘箱內(nèi)烘干，粉碎成粉末，觀察SEM電鏡下試樣表面及橫斷面的形貌[5]，見(jiàn)圖2。

圖2 吸附劑的SEM照片

從圖2可以看出，復(fù)合物干凝膠表面凹凸不平結(jié)構(gòu)，明顯存在一些孔洞結(jié)構(gòu)，孔徑范圍在50～100 nm。這種多孔的表面結(jié)構(gòu)增加了凝膠的比表面積，分散了皂土的分布，有利于外界溶液中的重金屬離子快速擴(kuò)散到達(dá)復(fù)合物內(nèi)部，增大接觸機(jī)會(huì)，從而增加了復(fù)合物內(nèi)部對(duì)重金屬的吸附容量，為重金屬離子的吸附提供了有力條件。此外，復(fù)合物吸附膨脹特性，有利于從水中快速分離。

2.3 吸附性能

2.3.1 復(fù)合物的吸水性

將復(fù)合物試樣分別在蒸餾水、自來(lái)水、鹽水中進(jìn)行吸水率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 吸附劑在蒸餾水、自來(lái)水和鹽水中的吸水率

由表2可看出，通過(guò)對(duì)聚合單體種類、用量及輔助助劑等因素的多次篩選實(shí)驗(yàn)，獲得的由丙烯酸、丙烯酰胺和皂土制備的吸附劑，在蒸餾水中吸水率達(dá)到了693倍，在自來(lái)水中降為188倍，鹽水中只有55倍，說(shuō)明復(fù)合物吸水倍率受鹽水影響較大。

2.3.2 吸附劑中皂土含量對(duì)吸附性能影響

根據(jù)1.2吸附劑的制備方法，制作不同皂土含量的系列復(fù)合物，分別進(jìn)行吸附率測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 皂土含量對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附影響

吸附劑中添加皂土可降低用料成本，同時(shí)發(fā)揮皂土的大比表面積優(yōu)勢(shì)，與吸水聚合物共同協(xié)作，增強(qiáng)對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附能力。但由圖3可以看出，隨著皂土用量的增加，可能影響合成聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量，還可能堵塞聚合物的小孔徑，反而使復(fù)合物的吸附能力下降。

2.3.3 重金屬離子初始含量對(duì)其吸附的影響

考察了重金屬離子初始含量對(duì)吸附性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 重金屬離子初始含量對(duì)其吸附的影響

由表3可知，隨著重金屬離子Pb2+和Cd2+含量增加，吸附率略有增加。當(dāng)Pb2+和Cd2+質(zhì)量濃度分別達(dá)到50 mg/L和10 mg/L時(shí)，吸附劑對(duì)Pb2+和Cd2+的吸附率達(dá)到90%以上，對(duì)Pb2+和Cd2+吸附量分別為22.5 mg/g和4.5 mg/g。能夠滿足重金屬?gòu)U水排放標(biāo)準(zhǔn)要求(Pb2+≤1.0 mg/L，Cd2+≤0.1 mg/L)。

3 結(jié) 論

以丙烯酸和丙烯酰胺為單體，添加皂土，采用水溶液聚合法，合成了多孔水凝膠復(fù)合吸附劑，將其應(yīng)用于水中鉛和鎘重金屬離子的吸附。在初始溶液pH值5～6，吸附時(shí)間6 h，Pb2+的質(zhì)量濃度50 mg/L，Cd2+的質(zhì)量濃度10 mg/L的條件下，復(fù)合吸附劑對(duì)Pb2+和Cd2+的吸附率分別達(dá)到90%以上，對(duì)Pb2+和Cd2+吸附量分別為22.5 mg/g和4.5 mg/g。滿足排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Pb2+≤1.0 mg/L，Cd2+≤0.1 mg/L的要求。