主鏈含雙酚酸鈉鏈節(jié)的聚芳醚砜對水中Pb2+、Cu2+、Cd2+的同步吸附性能

武 興 華，　馬 得 旺，　王 大 鷙，　徐 同 寬，　張 紹 印

( 大連工業(yè)大學 輕工與化學工程學院, 遼寧 大連　116034 )

主鏈含雙酚酸鈉鏈節(jié)的聚芳醚砜對水中Pb2+、Cu2+、Cd2+的同步吸附性能

武 興 華，馬 得 旺，王 大 鷙，徐 同 寬，張 紹 印

( 大連工業(yè)大學 輕工與化學工程學院, 遼寧 大連116034 )

摘要:利用主鏈含雙酚酸鈉鏈節(jié)的聚芳醚砜(PAES-C-Na)吸附劑處理同時含Pb2+、Cu2+、Cd2+的水溶液，并通過火焰原子吸收分光光度計測試溶液中金屬離子濃度；研究了溶液pH、吸附劑量、初始濃度以及吸附時間等因素對同步吸附的影響，且同步吸附行為采用偽一階和偽二階動力學方程進行模擬。結(jié)果表明，PAES-C-Na吸附共存金屬離子主要是通過表面的羧基功能基團與金屬離子之間的離子交換和靜電作用實現(xiàn)，同步吸附動力學實驗表明PAES-C-Na對金屬離子的吸附采用偽二階動力學方程擬合效果最好，即金屬離子的同步吸附以化學吸附為速率控制步驟，其吸附量由大到小順序為Pb2+(26.02 mg/g)、Cu2+(20.52 mg/g)、Cd2+(12.21 mg/g)。

關(guān)鍵詞:聚芳醚砜；吸附；金屬離子；羧基；靜電作用

0引言

聚合物吸附劑因其高效的吸附率和簡便的操作，在重金屬領(lǐng)域中得到了廣泛的應用[1]。聚合物吸附重金屬離子是利用其與功能型基團—COO-、—NH2、—SO3H之間的相互作用[2-4]，而本工作采用的聚芳醚砜吸附劑是由含羧基的可再生資源雙酚酸制備，不僅成本低、易于分離，而且聚合物引入的羧基具有良好的親水性，從而提高了聚合物對重金屬離子的吸附能力[5]。

在通常情況下，污水中不是只有一種重金屬離子，而是多種重金屬離子的混合[6]。相對于單一重金屬體系的吸附研究，多種重金屬離子混合體系的吸附研究更接近于真實環(huán)境下吸附介質(zhì)的吸附情況。目前，已有多種吸附劑用于同步去除廢水中多種重金屬離子，如活性污泥[7-8]、土壤[9-10]、農(nóng)林廢棄物[11-12]等。然而這些吸附劑都存在著分離難、吸附容量低、物理穩(wěn)定性差等缺點。為了克服上述缺點，近年來，人們將研究重點逐漸轉(zhuǎn)向聚合物吸附劑。但其對單一重金屬體系的吸附研究比較多[13-15]，而對2種及2種以上重金屬混合體系吸附研究比較少。課題組在前期研究中發(fā)現(xiàn)含羧酸鈉基功能性基團的聚芳醚砜(PAES-C-Na)對單一重金屬具有優(yōu)異的吸附性能，基于此，筆者擬在不同的實驗條件下(吸附時間、pH、吸附劑用量以及金屬離子初始濃度)研究PAES-C-Na對Cu2+、Pb2+、Cd2+的競爭吸附，并對其吸附過程進行了動力學模擬。

1實驗

1.1材料與儀器

材料：Cu(NO3)2·2H2O，Pb(NO3)2，Cd(NO3)2，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；NaOH和HCl，用來調(diào)節(jié)溶液的pH，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；含羧酸鈉基的聚芳醚砜(PAES-C-Na)，實驗室合成。

儀器：HG-9602火焰原子吸收分光光度計，沈陽華光精密儀器有限公司；FE20pH計，梅特勒-托利多儀器上海有限公司；GHZ-25高效恒溫振蕩器，太倉市華美生化儀器廠。

1.2實驗方法

1.2.1等溫吸附實驗

用Pb2+、Cu2+、Cd2+貯備液和去離子水配成等離子濃度的溶液。移取不同pH的定量溶液于250mL錐形瓶中，加入0.01g的PAES-C-Na，并置于30 ℃恒溫振蕩器進行振蕩吸附(200r/min)，取濾液測定其金屬離子濃度。

1.2.2動力學實驗

向40mL同時含Pb2+、Cu2+、Cd2+等離子質(zhì)量濃度(10mg/L)溶液(pH=5.0)中加入0.01gPAES-C-Na吸附劑，進行吸附實驗(同“1.2.1”)，不同時間內(nèi)取樣測量重金屬離子濃度，并用式(1)和式(2)計算金屬離子的吸收率以及平衡吸附量[16]。

(1)

(2)

式中：A為吸附劑對金屬離子的吸附率，%；Q為吸附劑對金屬離子的平衡吸附量，mg/g；ρ0為溶液中金屬離子的初始質(zhì)量濃度，mg/L；ρ1為溶液中金屬離子的平衡質(zhì)量濃度，mg/L；V為溶液的體積，L；m為吸附劑的質(zhì)量，g。在動力學實驗中，Q換作Qt，代表瞬時吸附量，ρ1換作ρt，代表瞬時質(zhì)量濃度。

2結(jié)果與討論

2.1聚合物PAES-C-Na結(jié)構(gòu)

2.2初始pH對同步吸附的影響

0.01gPAES-C-Na吸附劑分別加入到40mL同時含Pb2+、Cu2+、Cd2+等離子質(zhì)量濃度(10mg/L) 的溶液中(pH=1.0～7.0)，進行吸附實驗，考察pH對PAES-C-Na同步吸附溶液中的Pb2+、Cu2+、Cd2+的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1pH對PAES-C-Na競爭吸附Cu2+、Pb2+、Cd2+的影響

Fig.1Effect of pH on the competitive adsorption of Cu2+， Pb2+and Cd2+onto PAES-C-Na

pH既能影響金屬離子的存在形式也能影響吸附劑吸附位點的電荷，因此pH是影響吸附行為的重要因素。由圖1可知，隨著pH的增大，pH為1.0～3.0時，PAES-C-Na對Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附率緩慢升高，可能是由于在低pH下，溶液中存在大量的移動H+，使—COONa被質(zhì)子化，增大了吸附劑表面與金屬正離子間的斥力，從而降低了PAES-C-Na的吸附率[17]；pH為3.0～5.0時，PAES-C-Na對Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附率顯著增大，這可能是由于吸附劑表面—COONa與金屬離子間強的離子交換和靜電作用，使PAES-C-Na的吸附率明顯提高；然而pH>5.0(Pb2+)和pH>6.0(Cu2+)時，PAES-C-Na的吸附率明顯下降，這與其發(fā)生沉淀有關(guān)[18]；在pH=5.0～6.0(Cu2+)和pH=5.0～7.0(Cd2+)時，吸附率趨于平緩，這可能與吸附達到飽和有關(guān)。

此外，PAES-C-Na對3種共存金屬離子吸附率由大到小順序為Pb2+、Cu2+、Cd2+，在pH=5時，3種共存離子的吸附率相差最大。

2.3金屬離子初始濃度對同步吸附的影響

0.01gPAES-C-Na吸附劑分別加入到40mL同時含Pb2+、Cu2+、Cd2+不同離子質(zhì)量濃度(3.5、5、10、20、30、40、50mg/L)的溶液中(pH=5.0)，進行吸附實驗，考察共存金屬離子初始質(zhì)量濃度對同步吸附量的影響，結(jié)果如圖2所示。

(a) 對吸附率的影響

(b) 對吸附量的影響

圖2初始金屬離子質(zhì)量濃度對PAES-C-Na競爭吸附Cu2+、Pb2+、Cd2+的影響

Fig.2Effect of initial metal ions concentration on the competitive adsorption of Cu2+， Pb2+， Cd2+onto PAES-C-Na

由圖2可知，隨著金屬離子初始質(zhì)量濃度的增大，PAES-C-Na對共存金屬離子同步吸附的吸附率降低。這可能是由于金屬離子初始質(zhì)量濃度越低，PAES-C-Na表面的吸附位點越充裕，越能高效地移除金屬離子。然而，PAES-C-Na對共存金屬離子的吸附量卻在增加。這可能是因為共存金屬離子初始質(zhì)量濃度越大，溶液與PAES-C-Na表面的濃度梯度越大，產(chǎn)生較強的吸附驅(qū)動力[19]。

2.4吸附劑的量對同步吸附的影響

0.01gPAES-C-Na吸附劑分別加入到10、20、30、40、50、60mL同時含Pb2+、Cu2+、Cd2+等離子質(zhì)量濃度(10mg/L)的溶液中(pH=5.0)，進行吸附實驗，考察吸附劑的量對共存金屬離子同步吸附的影響，結(jié)果見圖3。

圖3吸附劑的量對PAES-C-Na競爭吸附Cu2+、Pb2+、Cd2+的影響

Fig.3Effect of adsorbent dosage on the competitive adsorption of Cu2+， Pb2+， Cd2+onto PAES-C-Na

由圖3可知，隨著吸附劑量的增加，PAES-C-Na對共存金屬離子同步吸附的吸附率增加。這可能是由于在低的吸附劑量時，PAES-C-Na表面的吸附活性位點達到飽和；增加吸附劑量，PAES-C-Na表面可利用的吸附活性位點就越多，吸附率也相應增大。

2.5吸附時間對同步吸附的影響

0.01gPAES-C-Na吸附劑加入到40mL同時含Pb2+、Cu2+、Cd2+等離子質(zhì)量濃度(10mg/L)的溶液中(pH=5.0)，進行吸附實驗，探究PAES-C-Na吸附劑對共存金屬離子同步吸附率隨時間的變化，結(jié)果見圖4。

圖4吸附時間對PAES-C-Na競爭吸附Cu2+、Pb2+、Cd2+的影響

Fig.4Effect of contact time on competitive adsorption of Cu2+， Pb2+and Cd2+onto PAES-C-Na

由圖4可知，t<15h，PAES-C-Na對共存金屬離子同步吸附率隨時間變化較顯著，是由于PAES-C-Na表面未飽和的吸附活性位點逐步被共存金屬離子占據(jù)；當t>15h，吸附率隨時間變化較小，這可能與PAES-C-Na對共存金屬離子的吸附在15h時基本達到平衡有關(guān)。

2.6PAES-C-Na對金屬離子同步吸附的動力學研究

動力學數(shù)據(jù)采用偽一階和偽二階動力學模型進行分析，式(3)和式(4)分別為2種模型方程[20]：

(3)

(4)

式中：k1和k2分別是偽一階和偽二階的速率常數(shù)；Qe和Qt分別是平衡吸附金屬離子的平衡吸附量(mg/g)與時間t時吸附金屬離子的吸附量(mg/g)。

PAES-C-Na吸附劑對含相同金屬離子質(zhì)量濃度(10mg/L)的Cu2+、Pb2+、Cd2+競爭吸附的動力學曲線，如圖5所示，而相關(guān)的動力學參數(shù)見表1。

表1PAES-C-Na對Cu2+、Pb2+、Cd2+競爭吸附的動力學參數(shù)

Tab.1Kinetic parameters for the competitive adsorption of Cu2+， Pb2+and Cd2+onto PAES-C-Na

金屬離子qe,exp/(mg·g-1)Pseudo-1st-OrdermodelPseudo-2nd-Ordermodelqe,calcR2qe,calcR2Pb2+26.0220.490.973728.570.9945Cu2+20.5241.690.967521.620.9947Cd2+12.2126.350.965115.600.9953

由圖5和表1可知，根據(jù)共存金屬離子進行同步吸附時相關(guān)系數(shù)(R2>0.99)以及平衡吸附量(qe，exp)與計算吸附量(qe，calc)間的吻合度，偽二階動力學模型更適合模擬PAES-C-Na同步吸附共存金屬離子的過程，可能是由于PAES-C-Na對共存金屬離子的吸附受化學吸附過程控制——金屬離子共享聚合物表面羧基氧上的孤對電子致使的靜電作用。此外，PAES-C-Na對共存金屬離子Pb2+、Cu2+、Cd2+的平衡吸附量分別是26.02、20.52、12.21mg/g。

(a) Pb2+

(b)Cu2+

(c)Cd2+

圖5PAES-C-Na對Cu2+、Pb2+、Cd2+競爭吸附的動力學曲線

Fig.5Kinetic plots for the competitive adsorption of Cu2+， Pb2+and Cd2+onto PAES-C-Na

3結(jié)論

PAES-C-Na吸附劑對Pb2+、Cu2+、Cd2+的競爭吸附效果較好，在不同初始pH、吸附時間、初始濃度、吸附劑量，其吸附量順序由大到小依次為Pb2+、Cu2+、Cd2+，即Pb2+相對Cu2+、Cd2+爭奪吸附劑上羧基基團氧上孤對電子形成配體的能力更強。PAES-C-Na同時吸附水溶液中Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附過程采用偽二階動力學方程擬合，其擬合相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99。因此，可以考慮制作這種低成本的吸附材料去除工業(yè)廢水中共存的金屬離子。

參考文獻:

[1]FUFL,WANGQ.Removalofheavymetalionsfromwastewaters:areview[J].JournalofEnvironmentalManagement, 2011, 92(3): 407-418.

[2] 曹春,巨天珍,陳興鵬.CMC/P(AMPS-co-AA)水凝膠對Pb(Ⅱ)的吸附動力學及吸附機理研究[J].環(huán)境化學,2013,32(10):1909-1916.

[3] 高潔,劉福強,李蘭娟,等. 新型多胺螯合樹脂對Cu(Ⅱ)的吸附性能研究[J].離子交換與吸附,2013,29(2):108-116.

[4] 馬敬紅,梁伯潤,鄭煜民.含磺酸基離聚物(SPET)對重金屬離子吸附性能的研究[J].東華大學學報(自然科學版),2001,27(2):107-109.

[5] 謝光亮,廖貴紅,吳方娟,等.羧側(cè)基聚芳醚砜醚酮的合成及其吸附性能[J].應用化學,2008,25(3):295-299.

[6]WUQ,ZHENGB,ZHAOCY,etal.Phytoremediationofheavymetalpollutioninurbansewageriversedimentbyloliumperenne[J].MeteorologicalandEnvironmentalResearch, 2011, 2(5): 71-75.

[7] 張啟亮,張詠晶,徐艷,等.Cu2+和Cd2+對活性污泥吸附Pb2+的競爭吸附影響效果研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2012,40(14):8258-8262.

[8] 吳海鎖,張鴻.活性污泥對重金屬離子混合物的生物吸附[J].環(huán)境化學,2002,21(6):528-532.

[9] 劉晶晶,唐曉武,王艷.Pb(II)、Cu(II)、Cd(II)在黃土上二元競爭吸附特性研究[J].巖土工程學報,2014,36(2):327-333.

[10] 林芳芳,易筱筠,黨志,等.改性花生殼對水中Cd2+和Pb2+的吸附研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2011,30(7):1404-1408.

[11] 彭喜,戴友芝,李小娜,等.廢啤酒酵母同步吸附水中Pb2+,Zn2+,Cd2+的研究[J].工業(yè)水處理,2013,33(9):27-30.

[12]KAMPALANONWATP,SUPAPHOLP.Thestudyofcompetitiveadsorptionofheavymetalionsfromaqueoussolutionbyaminatedpolyacrylonitrilenanofibermats[J].EnergyProcedia, 2014, 56: 142-151.

[13]WUN,LIZK.Synthesisandcharacterizationofpoly(HEA/MALA)hydrogelanditsapplicationinremovalofheavymetalionsfromwater[J].ChemicalEngineeringJournal, 2013, 215: 894-902.

[14]ZHAOXW,ZHANGG,JIAQ,etal.AdsorptionofCu(II),Pb(II),Co(II),Ni(II),andCu(II)fromaqueoussolutionbypoly(aryletherketone)containingpendantcarboxylgroups(PEK-L):equilibrium,kinetics,andthermodynamics[J].ChemicalEngineeringJournal, 2011, 171(1): 152-158.

[15]ZHAOFP,WALTERZT,ZHAODB,etal.Adsorptionkinetics,isothermsandmechanismsofCd(II),Pb(II),Co(II)andNi(II)byamodifiedmagneticpolyacrylamidemicrocompositeadsorbent[J].JournalofWaterProcessEngineering, 2014, 4: 47-57.

[16]KALAIVANISS,VIDHYADEVIT,MURUGESANA,etal.Theuseofnewmodifiedpoly(acrylamide)chelatingresinwithpendentbenzothiazolegroupscontainingdonoratomsintheremovalofheavymetalionsfromaqueoussolutions[J].WaterResourcesandIndustry, 2014, 5: 21-35.

[17] 王永為,蔡九霄,郭宏,等.琥珀酸酐改性麥草漿對Cd(Ⅱ)的吸附性能[J].大連工業(yè)大學學報,2014,33(3):182-185.

[18]ARGUNME,DURSUNS,KARATASM.RemovalofCd(II),Pb(II),Cu(II)andNi(II)fromwaterusingmodifiedpinebark[J].Desalination, 2009, 249(2): 519-527.

[19]HANJX,DUZJ,ZOUW,etal.Fabricationofinterfacialfunctionalizedporouspolymermonolithanditsadsorptionpropertiesofcopperions[J].JournalofHazardousMaterials, 2014, 276: 225-231.

[20]EMIKS.PreparationandcharacterizationofanIPNtypechelatingresincontainingaminoandcarboxylgroupsforremovalofCu(II)fromaqueoussolutions[J].ReactiveandFunctionalPolymers, 2014, 75: 63-74.

SynchronousadsorptionpropertiesofPb2+,Cu2+andCd2+bypolyaryleneethersulfonecontainingdiphenolicsodiumlinkagefromaqueoussolution

WUXinghua,MADewang,WANGDazhi,XUTongkuan,ZHANGShaoyin

(SchoolofLightIndustryandChemicalEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China)

Abstract:Poly arylene ether sulfone containing diphenolic sodium linkage (PAES-C-Na) was used to remove Pb2+, Cu2+, Cd2+from aqueous solution, and the effects of pH, adsorbent dosage, initial concentration and contact time were investigated. The adsorption process was simulated by the pseudo-first-order and the pseudo-second-order equations. The adsorption of coexist metal ions onto PAES-C-Na mainly depended on combined actions of ion-exchange and electrostatic between metal ions and functional groups (carboxyl). Kinetic analysis of synchronous adsorption indicated that the adsorption of metal ions onto PAES-C-Na fitted a pseudo-second-order model. The descending order of adsorption capacities was as follow: Pb2+(26.02 mg/g), Cu2+(20.52 mg/g), Cd2+(12.21 mg/g).

Key words:poly arylene ether sulfone containing diphenolic sodium linkage (PAES-C-Na); adsorption; metal ions; carboxyl groups; electrostatic action

收稿日期:2015-01-11.

基金項目:遼寧省自然科學基金資助項目(201202012)；住房和城鄉(xiāng)建設部科學技術(shù)計劃項目(2014-K4-034)；遼寧省教育廳科學研究項目(L2011079).

作者簡介:武興華(1987-)，女，碩士研究生；通信作者：張紹印(1965-)，男，教授.

中圖分類號:TQ319

文獻標志碼:A

文章編號:1674-1404(2016)03-0195-04