陶瓷膜错流扰动促进重金属Cu(II)的吸附研究

夏易安 陶学瑞 田兆斌 王晓磊 殷娜 王珂（蚌埠学院，材料与化学工程学院，安徽 蚌埠 233030）

陶瓷膜错流扰动促进重金属Cu(II)的吸附研究

夏易安 陶学瑞 田兆斌 王晓磊 殷娜 王珂（蚌埠学院，材料与化学工程学院，安徽 蚌埠 233030）

上个世纪90年代，Yaghi等[1]首次提出金属有机框架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)这一新概念，并制备出Co-MOFs。迄今为止，MOFs已广泛应用于气体存储、药物装载、催化、传感、气体吸附与分离等领域[2-4]。目前，MOFs作为固相吸附剂已被用于吸附去除重金属离子，主要包括Ca-MOF除Cd(II)[5]、Zr-MOF除Pb(II)[6]及Cr(VI)[7]、Cu-MOF除Hg(II)[8]等。关于MOFs除Cu(II)鲜见报道。前期研究发现，陶瓷膜超滤Zr-MOFs纳米晶工艺可实现陶瓷膜对MOFs的100%截留，利用MOFs吸附重金属离子Pb(II)，可实现重金属Pb(II)的连续分离[6]。基于此，本文重点研究Zr-MOFs对Cu(II)的吸附可行性及陶瓷膜错流扰动对吸附过程的影响，为实现重金属Cu(II)的连续分离提供数据支持。

1 实验方法

间歇烧杯实验：将含有10mg·L-1Cu(II)溶液的烧杯置于集热式加热搅拌器(常州普天仪器制造有限公司，DF-101S型)中，预控温度和pH，再加入0.01g Zr-MOFs(UiO-66-NH2型)吸附Cu (II)，一定时间间隔取样，监测吸附过程中Cu(II)的浓度变化情况。

陶瓷膜连续错流扰动实验：将相同浓度的Cu(II)溶液10L置于超滤膜分离设备(天津大学，FLOM-UT-D1型)的原料桶内，加入相同质量的Zr-MOFs吸附Cu(II)，利用陶瓷膜(南京久吾，平均孔径50nm)100%截留Zr-MOFs以实现重金属Cu(II)的分离，通过原料桶夹套控制温度，间隔时间在原料侧和渗透侧取样，研究温度对吸附过程的影响。

陶瓷膜对Zr-MOFs的截留(100%)利用浊度仪(上海上天，WGZ-1型)监测。Cu(II)浓度采用原子吸收分光光度计测定(北京瑞利分析仪器公司，WFX-130A型)。重金属Cu(II)的吸附去除率，吸附量，渗透通量式中，Co为初始Cu(II)浓度(mg·L-1)，Ct为吸附t时间后的溶液中Cu(II)浓度(mg·L-1)。V是溶液体积(L)，W是Zr-MOFs吸附剂的质量(g)。VP为膜渗透侧体积(L)，t为渗透时间(h)，A是膜的过滤面积(0.11m2)。

2 实验结果与讨论

2.1 间歇烧杯内吸附Cu(II)

由图1(A-B)可知，温度控制在40oC，搅拌速度120r∕min，烧杯实验中Zr-MOFs对Cu(II)的吸附效果在pH为5时，基本没有吸附能力，R=0%，这可以用于重金属Cu(II)的脱附。在pH为6.3时，R接近80%，pH为7时吸附效果最好，R接近90%，吸附量qt大于80 mg·g-1。虽远大于新近文献报道的生物吸附剂的值67.10 mg·g-1[10]，但此时可能已形成Cu(OH)2沉淀。合适的pH宜选择6。

图1 pH对烧杯内Zr-MOFs吸附Cu(II)的影响

2.2 陶瓷膜连续错流扰动吸附Cu(II)

由图2(A-C)可知：孔径为50nm陶瓷膜能很好地实现重金属Cu(II)的去除，去除率R超过70%。去除率随时间的变化曲线中有一个先下降后升高的趋势。温度升高，通量增大。陶瓷膜错流扰动极大程度地促进了Zr-MOFs对Cu(II)的吸附过程。吸附量最高可达809.6mg·g-1。

3 结语

研究证实UiO-66-NH2型Zr-MOFs能很好地吸附重金属Cu (II)，间歇烧杯实验中，在pH=6和T=40℃时，Zr-MOFs对Cu(II)最大吸附量达61.4mg·g-1。利用陶瓷膜错流扰动促进Zr-MOFs对Cu(II)的吸附，结果表明50nm陶瓷膜在T=40℃时对Cu(II)的吸附量高达809.6mg·g-1。由此可见，陶瓷膜连续错流扰动极大程度地提高了Zr-MOFs对重金属Cu(II)的吸附量。Zr-MOFs可利用陶瓷膜错流实现对Cu(II)的高效连续吸附去除。

Adsorption of heavy metal Cu(II)promoted by ceramic membrane cross-flow disturbance

XIA Yi’an，TAO Xuerui，TIAN Zhaobin，WANG Xiaolei，YIN Na，WANG Ke(College of Material& Chemical Engineering，Bengbu University，Bengbu，233030，Anhui)

重金属污染已严重威胁环境和人类健康。本文研究陶瓷膜错流扰动对Zr-MOFs吸附重金属Cu(II)的促进作用。间歇烧杯吸附表明，Zr-MOFs能很好地吸附Cu(II)，pH为6、温度40℃时，最大吸附量达61.4mg·g-1。利用陶瓷膜连续错流扰动促进Zr-MOFs对Cu(II)的吸附，结果表明相同温度下，50nm膜错流扰动时Cu(II)吸附量可达809.6mg·g-1。可见，陶瓷膜错流扰动可显著提高Zr-MOFs对重金属Cu(II)的吸附量。

Zr-MOFs；陶瓷膜；微波促进；重金属离子

Heavy metal pollution has been a serious threat to the environment and human health.In this paper,the promoted effect of ceramic membrane cross flow disturbance was studied on the adsorption of heavy metal Cu(II)to Zr-MOFs.In batch jartest,Zr-MOFs can well adsorb Cu(II)at pH of 6 and tempera⁃ture(T)of 40oC,the maximum adsorption capacity can achieve 61.4 mg·g-1.Ceramic membrane continuous cross-flow distur⁃bance was applied to promote the adsorption of Cu(II)onto the Zr-MOFs.The results showed that under the same temperature, the adsorption capacity of Cu(II)for membrane pore size of 50 nm was up to 809.6 mg·g-1.As shown,the ceramic membrane cross flow disturbance can significantly increase the adsorption ca⁃pacity of heavy metal Cu(II)onto the Zr-MOFs.

Zr-MOFs;ceramic membrane;microwave-pro⁃moted;Cu(II)