吸附剂制备及其对水中铅、镉离子的吸附研究

徐景峰，吴芳珍，宋智谦，刘昌福，舒 越

(常州工程职业技术学院，检验检测认证学院，江苏 常州 213164)

重金属通过食物链危害人类健康[1]。目前处理水中重金属离子常用的有离子交换法、膜过滤和吸附法等[2-3]。其中吸附法工艺相对简单，但传统吸附材料通常价格昂贵、反应速率慢、分离再生困难，限制其广泛应用[4]。

快速高效，成本较低，易于分离的吸附物质是水体重金属修复行业最具前景的技术之一。水凝胶是一类亲水溶胀又不溶解的网络结构高分子物质，可为外部分子或离子提供快速进入的通道。它具有吸附量高，操作简单，易于分离的优点，为解决重金属水污染难题提供了新思路。本文以寻求性能优异的吸附剂为目的，研究了吸水性的高分子聚合物复合皂土等无机矿物，制备吸附重金属铅和镉的复合物质。通过红外和扫描电镜进行表征，考察复合物的吸水性及对铅、镉离子的去除效率，为今后的实际推广应用提供基础数据。

1 实 验

1.1 主要试剂

粉煤灰、活性炭、米糠、γ-Al2O3，工业品；皂土、硅藻土、氢氧化钠，分析纯，江苏强盛功能化学有限公司；丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)，分析纯，上海润捷化学试剂有限公司；过硫酸铵、甲醛合次硫酸氢钠、2,2-偶氮二(2-甲基丙基咪)，分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司；铅标准溶液(1 mg/mL)、镉标准溶液(1 mg/mL)，国家有色金属及电子材料分析测试中心。

1.2 吸附剂制备

移取丙烯酸30 mL，冰水冷却，滴加浓度为7.5 mol/L氢氧化钠进行中和，加入10 g丙烯酰胺，搅拌溶解完全。加入20 g皂土和交联剂适量，继续搅拌均匀。将混合物转移到塑料容器中，然后置于40 ℃的水浴锅中加热，充氮气除氧，加入一定量的引发剂(过硫酸铵、甲醛合次硫酸氢钠和2，2-偶氮二(2-甲基丙基咪))，继续振荡至反应液变得黏稠，保温反应。反应结束后取胶体中间部分剪碎，放入电热鼓风干燥箱90 ℃烘干，备用。

1.3 性能测试方法

1)吸水性评价。取烘干后的大小均匀聚合物颗粒称量，放入干净的烧杯中，加入一定量的蒸馏水，浸泡12 h，取出，用干净的滤纸擦去表面的水分，称量，计算吸水率。

对铅、镉离子吸附性的评价。移取25 mL铅标准溶液、5 mL镉标准溶液、20 mL蒸馏水于50 mL比色管中。然后将烘干后的吸附剂，研磨过筛，过40～80目的筛，取粉末0.1 g置于比色管中。将比色管放入翻转式振荡器中振荡6 h以上。振荡结束后，将比色管中的溶液定容到100mL容量瓶中过滤，滤液用原子吸收分光光度计测定铅、镉吸光度，计算吸附率。

2 结果与讨论

2.1 无机物质的筛选

表1是几种无机物质对铅、镉离子的吸附性能。

表1 几种无机物质对铅、镉离子的吸附性能

从表1可知，皂土、酸化皂土及煤灰对铅离子的吸附率较高，达到90%以上，但只有皂土和酸化皂土对镉的吸附率高，约90%。考虑酸化皂土的酸化问题，所以本文在吸附剂的制备中使用原皂土。

2.2 吸附剂的结构表征

2.2.1 FT-IR

图1是吸附剂的FT-IR光谱。

图1 吸附剂的FTIR

从图1可以看出，在3 435 cm-1处为O—H键的伸缩振动峰；1 672 cm-1处是酰胺基(—CO—NH2)中CO的特征吸收峰；1 570 cm-1处为AA、MBA单体中羰基(CO)相互作用后的伸缩振动峰；1 454 cm-1是—CH3的变形振动吸收峰；1 411 cm-1处为酰胺基团中C—N键的伸缩振动峰；1 043、523 cm-1为Si—O—Al 弯曲振动峰[4]。说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

将制备所得的复合物放在烘箱内烘干，粉碎成粉末，观察SEM电镜下试样表面及横断面的形貌[5]，见图2。

图2 吸附剂的SEM照片

从图2可以看出，复合物干凝胶表面凹凸不平结构，明显存在一些孔洞结构，孔径范围在50～100 nm。这种多孔的表面结构增加了凝胶的比表面积，分散了皂土的分布，有利于外界溶液中的重金属离子快速扩散到达复合物内部，增大接触机会，从而增加了复合物内部对重金属的吸附容量，为重金属离子的吸附提供了有力条件。此外，复合物吸附膨胀特性，有利于从水中快速分离。

2.3 吸附性能

2.3.1 复合物的吸水性

将复合物试样分别在蒸馏水、自来水、盐水中进行吸水率实验，结果见表2。

表2 吸附剂在蒸馏水、自来水和盐水中的吸水率

由表2可看出，通过对聚合单体种类、用量及辅助助剂等因素的多次筛选实验，获得的由丙烯酸、丙烯酰胺和皂土制备的吸附剂，在蒸馏水中吸水率达到了693倍，在自来水中降为188倍，盐水中只有55倍，说明复合物吸水倍率受盐水影响较大。

2.3.2 吸附剂中皂土含量对吸附性能影响

根据1.2吸附剂的制备方法，制作不同皂土含量的系列复合物，分别进行吸附率测定，结果见图3。

图3 皂土含量对Pb2+、Cd2+的吸附影响

吸附剂中添加皂土可降低用料成本，同时发挥皂土的大比表面积优势，与吸水聚合物共同协作，增强对Pb2+、Cd2+的吸附能力。但由图3可以看出，随着皂土用量的增加，可能影响合成聚合物的相对分子质量，还可能堵塞聚合物的小孔径，反而使复合物的吸附能力下降。

2.3.3 重金属离子初始含量对其吸附的影响

考察了重金属离子初始含量对吸附性能的影响，结果见表3。

表3 重金属离子初始含量对其吸附的影响

由表3可知，随着重金属离子Pb2+和Cd2+含量增加，吸附率略有增加。当Pb2+和Cd2+质量浓度分别达到50 mg/L和10 mg/L时，吸附剂对Pb2+和Cd2+的吸附率达到90%以上，对Pb2+和Cd2+吸附量分别为22.5 mg/g和4.5 mg/g。能够满足重金属废水排放标准要求(Pb2+≤1.0 mg/L，Cd2+≤0.1 mg/L)。

3 结 论

以丙烯酸和丙烯酰胺为单体，添加皂土，采用水溶液聚合法，合成了多孔水凝胶复合吸附剂，将其应用于水中铅和镉重金属离子的吸附。在初始溶液pH值5～6，吸附时间6 h，Pb2+的质量浓度50 mg/L，Cd2+的质量浓度10 mg/L的条件下，复合吸附剂对Pb2+和Cd2+的吸附率分别达到90%以上，对Pb2+和Cd2+吸附量分别为22.5 mg/g和4.5 mg/g。满足排放标准对Pb2+≤1.0 mg/L，Cd2+≤0.1 mg/L的要求。