磁性納米材料對(duì)水體重金屬元素的吸附性研究

李德明

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 環(huán)境與化工學(xué)院,安徽 合肥 230011)

0 引言

環(huán)境可持續(xù)發(fā)展與建設(shè)工作的持續(xù)推進(jìn),使環(huán)保理念逐步深入人心,水體環(huán)境受到重金屬元素的污染已經(jīng)引起了各地關(guān)注[1]。當(dāng)重金屬物質(zhì)進(jìn)入水體后,會(huì)隨著城市排水系統(tǒng)進(jìn)入生物體中,而此類污染物質(zhì)一旦進(jìn)入生物循環(huán)中,生物體會(huì)由于難以降解污染物或重金屬富集效應(yīng),出現(xiàn)慢性中毒從而死亡的現(xiàn)象。例如,1970年發(fā)生在日本的疼痛病事件,近幾年發(fā)生在我國的血鉛事件等[2]。為了解決此類問題,有關(guān)單位加大了對(duì)水體環(huán)境中重金屬物質(zhì)的監(jiān)測,并通過采樣的方式進(jìn)行樣本分析,但由于水體樣本基體較為復(fù)雜,且部分重金屬物質(zhì)的含量較低,采用較為常規(guī)的手段與技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測不僅存在難度高、監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確的問題,還會(huì)對(duì)后續(xù)的水環(huán)境污染治理工作造成干擾[3]。因此,在本文的研究中,嘗試引進(jìn)磁性納米材料,此種材料具有較為特殊的表面效應(yīng),不僅可以作為水體中重金屬元素的吸附試劑,也可以通過操作實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物質(zhì)的二次回收與利用,從而降低重金屬元素對(duì)水體環(huán)境的污染與損害。

1 資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

為了探究磁性納米材料對(duì)水體中重金屬元素的吸附性,選擇一種具有磁性的納米材料作為研究對(duì)象。在實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)下,使用不同的n(P)/n(Ni)(1,2,4,6,8)制備磁性納米材料。將適量的硝酸鎳試劑加入到60 mL的蒸餾水中,并將混合后的溶液轉(zhuǎn)移到容量為100 mL的燒杯中進(jìn)行攪拌,直到溶液從渾濁變?yōu)槌吻?再加入約4.50 g已經(jīng)被充分研磨的紅磷材料,對(duì)燒杯進(jìn)行加熱,并將其放置在水浴鍋裝置中完成熟化處理[4]。將熟化的實(shí)驗(yàn)控制在2.5 h左右,將上述操作得到的混濁溶液靜置,隨后在其中放入聚四氟乙烯,將其放置在反應(yīng)釜中,實(shí)現(xiàn)高壓反應(yīng)[5]。在反應(yīng)的過程中,需要確保容器的密閉性,并將其放置在溫度為110～120 ℃范圍內(nèi)的干燥箱中,并完成持續(xù)10 h的熱處理。在完成上述反應(yīng)后,將得到的試劑全部放入到反應(yīng)釜中進(jìn)行充分反應(yīng),并在不受外界干擾的情況下,使其溫度達(dá)到室溫。此時(shí)反應(yīng)釜中形成了一種黑色物質(zhì),將這一物質(zhì)通過蒸餾水進(jìn)行洗滌,確保其不含有任何雜質(zhì),最后將其存儲(chǔ)在55 ℃的真空干燥環(huán)境中,并保證持續(xù)時(shí)間為10 h。以此得到的固體物質(zhì)即為本文實(shí)驗(yàn)所需的磁性納米材料。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

在完成對(duì)磁性納米材料的制備后,為實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中重金屬元素吸附性的檢驗(yàn),還需要完成對(duì)各類儀器設(shè)備及試劑的選擇。實(shí)驗(yàn)過程中用到的儀器包括數(shù)顯恒溫水浴鍋、電動(dòng)攪拌裝置以及光度計(jì)等。其中數(shù)顯恒溫水浴鍋選用潤聯(lián)叁runlian-4980型號(hào)水浴鍋,該型號(hào)水浴鍋的性能參數(shù)如表1所示。

表1 潤聯(lián)叁runlian-4980型號(hào)水浴鍋性能參數(shù)表Tab.1 Runliansan runlian-4980 model water bath performance parameter table

與其他具備相同功能的水浴鍋相比,該型號(hào)水浴鍋恒溫振蕩裝置的工作效率更高,因此,不需要再額外選擇其他型號(hào)的恒溫振蕩儀。綜合本文實(shí)驗(yàn)需要,選用DW-148-060型號(hào)電動(dòng)攪拌裝置,其作業(yè)方式為連續(xù)作業(yè);布局形式為立式;攪拌方式為自落式攪拌;裝置方式為移動(dòng);工作方式為電動(dòng)[6]。在運(yùn)行過程中,DW-148-060型號(hào)電動(dòng)攪拌裝置的轉(zhuǎn)速通常在0～3 000 r/min范圍內(nèi);電動(dòng)功率為90 W;電壓為22 V。而且,DW-148-060型號(hào)電動(dòng)攪拌裝置的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,其結(jié)構(gòu)包括支架、不銹鋼底座、調(diào)速裝置。四氟攪拌漿、燒杯夾以及電機(jī)等,能夠?qū)崿F(xiàn)本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境的快速安裝和連接。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測定,選用JC-YZ-500型號(hào)原子吸收分光光度計(jì),利用該裝置,通過原子吸收法,實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品中金屬元素含量的測定。JC-YZ-500型號(hào)原子吸收分光光度計(jì)的測定范圍十分廣泛,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)70余種元素的測定,并且分析速度更快。

此外,實(shí)驗(yàn)中需要用到的試劑包括:乙醇、丙醇、環(huán)氧氯丙烷等。在實(shí)驗(yàn)開始前需要對(duì)所有選擇的化學(xué)試劑純度進(jìn)行檢測,確保其均未分析純,實(shí)驗(yàn)過程中使用的水均為二次去離子水。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在完成對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中所需的材料、設(shè)備以及試劑的選擇后,將上述制備的磁性納米材料精準(zhǔn)稱取0.01 g,并將其放置在離心管當(dāng)中。向離心管中分別加入Pb2+,Co2+和Cd2+溶液,同時(shí)還需要加入2.0 mL氫離子濃度指數(shù)為6.5的緩沖溶液,最后加入水,使離心管中試劑總量為10 mL。在室溫狀態(tài)下進(jìn)行振蕩,持續(xù)時(shí)間在50～70 min范圍內(nèi)。完成上述操作后,利用磁鐵將吸附劑與溶液進(jìn)行分離,并提取容器當(dāng)中的生成清液,利用JC-YZ-500型號(hào)原子吸收分光光度計(jì)對(duì)其中含有的金屬元素進(jìn)行測定,并以此探究磁性納米材料對(duì)水體中含有的重金屬元素的實(shí)際吸附情況。同時(shí),以Pb2+的標(biāo)準(zhǔn)曲線作為依據(jù),將其與上述實(shí)驗(yàn)后溶液中的Pb2+濃度變化情況進(jìn)行對(duì)比,并計(jì)算得出其脫除率。

式中:η表示脫除率;m表示脫除量;mz表示總量。根據(jù)上述計(jì)算公式,計(jì)算得出磁性納米材料對(duì)水體中各個(gè)重金屬元素的脫除率。按照上述操作內(nèi)容,分別完成磁性納米材料對(duì)水體中Pb2+,Co2+和Cd2+等重金屬元素脫除率的檢測。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 磁性納米材料不同加入量對(duì)水體中重金屬元素吸附性探究

根據(jù)上述操作方法完成實(shí)驗(yàn),得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。首先,針對(duì)磁性納米材料對(duì)水體中Pb2+重金屬元素吸附性進(jìn)行探究。表2為加入不同量磁性納米材料對(duì)水體中Pb2+重金屬元素吸附情況的記錄表。

表2 不同量磁性納米材料對(duì)水體中Pb2+重金屬元素吸附情況記錄表Tab.2 Record table of adsorption of Pb2+ heavy metal elements in water with different amounts of magnetic nanomaterials

表2中A和B為兩種制備材料相同但成分比例不同的磁性納米材料,從表2中的數(shù)值可以看出,磁性納米材料A和磁性納米材料B的加入量逐漸增加,水體中Pb2+重金屬元素濃度均表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。通過上述公式計(jì)算兩種磁性納米材料對(duì)水體中Pb2+重金屬元素的脫除率,得出在磁性納米材料加入量為0.4 g時(shí),磁性納米材料A對(duì)Pb2+的脫除率為88.58%;磁性納米材料B對(duì)Pb2+的脫除率為82.62%。

2.2 不同pH值下磁性納米材料對(duì)水體中重金屬元素吸附性探究

針對(duì)不同氫離子濃度指數(shù)條件下磁性納米材料對(duì)水體當(dāng)中Pb2+,Co2+和Cd2+等重金屬元素的吸附性進(jìn)行探究。按照上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分別測定不同氫離子濃度指數(shù)條件下磁性納米材料對(duì)上述3種水中重金屬元素的吸附率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同氫離子濃度指數(shù)下磁性納米材料對(duì)重金屬吸附性記錄表Tab.3 Record table of heavy metal adsorption by magnetic nanomaterials under different hydrogen ion concentration indices

圖1 不同吸附時(shí)間條件下磁性納米材料對(duì)水體中重金屬元素吸附性Fig.1 Adsorption of heavy metal elements in water by magnetic nanomaterials with different adsorption time

從表3中可以看出,在不同氫離子濃度指數(shù)條件下,磁性納米材料對(duì)水體中3種不同重金屬材料的吸附變化趨勢基本相同,在4.0～6.0范圍內(nèi)呈現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢,在6.0～ 7.0范圍內(nèi)達(dá)到最大值,隨后呈現(xiàn)出略微下降趨勢。同時(shí),從表3中數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?磁性納米材料對(duì)于水中Pb2+重金屬元素的吸附率明顯高于對(duì)Co2+重金屬元素和Cd2+重金屬元素的吸附率。

2.3 不同吸附時(shí)間條件下磁性納米材料對(duì)水體中重金屬元素吸附性探究

針對(duì)不同吸附時(shí)間下,磁性納米材料對(duì)上述3種重金屬元素的吸附率進(jìn)行記錄,并將記錄的數(shù)據(jù)繪制成圖1。

圖1針對(duì)40～80 min時(shí)間內(nèi),磁性納米材料對(duì)水體中3種重金屬元素的吸附情況進(jìn)行記錄。圖1中,3種重金屬材料在時(shí)間變化中其吸附率整體變化趨勢相似,當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到70 min時(shí),3種重金屬元素的吸附率均達(dá)到了最大值。之后,隨著時(shí)間的進(jìn)一步增加,3種重金屬元素的吸附率并沒有發(fā)生改變。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

本文分別從磁性納米材料加入量、不同氫離子濃度指數(shù)和不同吸附時(shí)間3種不同情況下探明磁性納米材料對(duì)水體當(dāng)中含有的Pb2+,Co2+和Cd2+等重金屬元素的吸附性。首先,從表2中得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄結(jié)果可以看出,在改變磁性納米材料加入量的情況下,水體當(dāng)中的重金屬元素表現(xiàn)出持續(xù)地降低,說明此時(shí)磁性納米材料的吸附能力持續(xù)進(jìn)行。

隨著磁性納米材料加入量的增加,當(dāng)加入量在 0.4～0.8 g范圍內(nèi)時(shí),重金屬元素的濃度變小的趨勢逐漸減弱,此時(shí)可認(rèn)為磁性納米材料的吸附能力已經(jīng)逐漸達(dá)到飽和狀態(tài),若繼續(xù)向溶液當(dāng)中添加更多量的磁性納米材料,其吸附效果依然不會(huì)發(fā)生較大改變。因此,通過表2及實(shí)驗(yàn)過程中得到的結(jié)果可以得出,在對(duì)水中重金屬元素進(jìn)行吸附時(shí),應(yīng)當(dāng)將磁性納米材料的加入量控制在0.4 g以內(nèi),以此確保達(dá)到最理想的吸附效果,保證磁性納米材料的吸附性能。

從表3中可以看出,隨著磁性納米材料所處環(huán)境中氫離子濃度指數(shù)的改變,針對(duì)水體當(dāng)中不同重金屬元素的吸附性也發(fā)生了改變。在氫離子濃度指數(shù)在4.0～6.5范圍內(nèi),3種水體中重金屬元素的吸附率均呈現(xiàn)持續(xù)上升的變化趨勢。當(dāng)氫離子濃度指數(shù)在6.5以上時(shí),磁性納米材料對(duì)于3種重金屬元素的吸附性均出現(xiàn)了不同程度的下降。當(dāng)氫離子濃度指數(shù)為7.5時(shí),Pb2+重金屬元素出現(xiàn)了略微上升的趨勢,并逐漸達(dá)到最大值,而另外兩種重金屬材料Co2+和Cd2+的吸附率逐漸降低,并且沒有再次上升的趨勢。因此,根據(jù)這一現(xiàn)象可以得出,在實(shí)際應(yīng)用磁性納米材料對(duì)水體當(dāng)中重金屬元素進(jìn)行吸附時(shí),應(yīng)當(dāng)將溶液的氫離子濃度指數(shù)控制在6.5左右,以此確保磁性納米材料具備最佳的吸附效果。

從圖1中可以看出,在不同吸附時(shí)間條件下,磁性納米材料對(duì)于水體中重金屬元素的吸附性,仍然是對(duì)Pb2+重金屬元素的吸附效果最佳,其余兩種重金屬元素的吸附效果相似。隨著吸附時(shí)間的不斷增加,在達(dá)到 70 min時(shí),3種重金屬元素的吸附率均達(dá)到了最大值,隨后,時(shí)間繼續(xù)增加,3種重金屬元素的吸附率均保持不變。因此,可以得出,在實(shí)際應(yīng)用磁性納米材料時(shí),應(yīng)當(dāng)將吸附時(shí)間控制在70 min左右,在70 min之前磁性納米材料的吸附性無法得到充分發(fā)揮,在70 min之后,磁性納米材料逐漸達(dá)到飽和狀態(tài),無法實(shí)現(xiàn)對(duì)更多水體中重金屬元素的吸附。

4 結(jié)語

為探究磁性納米材料對(duì)水體中含有的各類重金屬元素具備的吸附性及效果,完成了對(duì)磁性納米材料的制備,分別針對(duì)水體中的Pb2+,Co2+和Cd2+重金屬元素在3種不同條件下的吸附效果進(jìn)行探究。研究結(jié)果表明,磁性納米材料在對(duì)水體中的重金屬進(jìn)行吸附時(shí),應(yīng)當(dāng)將磁性納米材料加入量控制在0.2～0.4 g范圍內(nèi);將溶液的氫離子濃度指數(shù)控制在6.0～6.5范圍內(nèi);將吸附時(shí)間控制在70 min左右。