SH—MCM—48的制備與吸附水中重金屬離子的研究

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，重金屬離子對(duì)于水質(zhì)、土壤等的污染也越來越嚴(yán)重。重金屬離子在水體中積累到一定的限度就會(huì)對(duì)水體-水生植物-水生動(dòng)物系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，并可能通過食物鏈直接或間接地影響到人類的生產(chǎn)和生活，最典型的例證有：日本由于汞污染引發(fā)的“水俁病”和由鎘污染造成的“骨痛病”。因此可以說，水體重金屬污染已經(jīng)成為當(dāng)今世界最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。目前，常用來處理水中重金屬離子的方法通常有電解法、化學(xué)沉淀法、離子交換法、植物修復(fù)法及吸附法等等。吸附法作為一種重要的處理水中重金屬離子的方法，愈來愈受到人們的關(guān)注。

吸附法是除去水體中低濃度重金屬離子的有效方法，目前常用的吸附劑仍主要是活性炭，但其吸附容量較低，無(wú)選擇性并且再生困難。介孔材料作為一種新的有效吸附劑是科學(xué)研究的一個(gè)重要方向。為了提高其吸附能力，人們通常利用具有功能基團(tuán)的化合物，如3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）或2-巰基噻唑啉等改性MCM-41或SBA-15的內(nèi)表面，以期提供可以與金屬離子形成配合物的官能團(tuán)。最近，在研究中發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，改性SBA-15對(duì)硼離子吸附性能是改性MCM-41的2倍，他們認(rèn)為這是由于所制備的SBA-15具有更大的孔徑（約7nm），可以為下一步的改性提供很大的空間。Feng等人利用特殊的硅烷類改性劑與介孔二氧化硅共價(jià)鍵合，形成的交聯(lián)單分子層緊密堆積于介孔內(nèi)表面，系統(tǒng)地改變功能基的數(shù)量，得到了表面覆蓋率為10%～76%的FMMS。FMMS對(duì)汞和一些重金屬如銀、鉛等有很強(qiáng)的親合力，可以從水溶液選擇性的去除這些重金屬離子。用巰基表面覆蓋率為10%～25%的FMMS處理后的水體，汞含量低于美國(guó)環(huán)保署（EPA）制定的有毒物質(zhì)指標(biāo)，甚至低于飲用水標(biāo)準(zhǔn)，銀離子含量可降至檢測(cè)限以下，去除鉛離子也有類似效果。背景離子（如Na+，Ba2+，Zn2+）的存在對(duì)其無(wú)明顯影響，且用濃鹽酸再生后可循環(huán)使用。徐應(yīng)明等[3]在MCM-41表面嫁接3-巰基丙基三甲氧基硅烷，它對(duì)水中的Hg2+、Pb2+具有優(yōu)良的吸附能力。焦華利用修飾后的功能化MCM-41納米介孔材料1，2，5，6研究了其對(duì)金屬離子Fe（Ⅲ），Ni（Ⅱ），Cu（Ⅱ），Zn（Ⅱ），Cd（Ⅱ）的吸附，Cu與其他金屬離子的二元溶液吸附研究表明，最佳分離系數(shù)達(dá)到150以上，最小也在數(shù)倍以上，可見這些吸附劑在一定程度上能作為Cu與其他金屬的分離材料。

取一定濃度的金屬離子溶液于錐形瓶中，再加入去離子水，然后加入0.05000 g SH-MCM-48介孔材料，25℃下恒溫振蕩吸附2h，離心分離后取上層清液檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)得到的吸附等溫線如圖1和圖2所示。

圖1 Pb2+和Cd2+的等溫吸附曲線圖

圖2 Cu2+和Ni2+的等溫吸附曲線圖

由圖1和圖2可以看出，SH-MCM-48介孔分子篩對(duì)Pb2+，Cd2+，Cu2+和Ni2+的飽和吸附量分別為263.2 mg·g-1、133.3 mg·g-1、108.7 mg·g-1、62.50 mg·g-1。從中可以看出SH-MCM-48對(duì)Pb2+的吸附能力最強(qiáng)。

在恒溫條件下，溶液中固體表面發(fā)生的吸附現(xiàn)象常用Langmuir方程來描述，Langmuir方程為：

（1-2）

注：為平衡濃度（mg·l-1）；b為常數(shù)；q為飽和吸附量（mg·g-1）。

按Langmuir等溫吸附式進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖5和圖6可看出，曲線所呈現(xiàn)的趨勢(shì)基本相同，前5min平衡濃度變化很明顯，以后曲線變得比較平坦，說明SH-MCM-48介孔分子篩對(duì)金屬離子的吸附幾乎都集中前面一段時(shí)間并且反應(yīng)很迅速。

SH-MCM-48介孔分子篩對(duì)金屬離子（Pb2+，Cd2+，Cu2+和Ni2+）有較強(qiáng)的吸附能力，在25℃時(shí)，飽和吸附量分別達(dá)到263.2 mg·g-1、133.3 mg·g-1、108.7 mg·g-1、62.50 mg·g-1，與文獻(xiàn)報(bào)道的同類材料相比，其吸附效果更好。通過對(duì)Langmuir等溫吸附方程和二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的分析，均有比較好的線性關(guān)系。因此，SH-MCM-48介孔分子篩可用來處理水體重金屬污染，尤其對(duì)Pb2+污染的處理效果明顯。

參考文獻(xiàn)：

X.Feng，G.E.Fryxell，L.Q.Wang，A.Y.Kim，J.Liu，K.M.Kemner.Functionalized Monola- yers on Ordered Mesoporous Supports[J].Science，1997，276（5314）：923-926.

徐應(yīng)明，李軍幸，戴小華.介孔分子篩表面功能膜的制備及對(duì)水中鉛汞鎘的去除作用[J].應(yīng)用化學(xué)，2002，19（10）： 941-945.

焦華.MCM-41型介孔分子篩的表面修飾及其吸附性能研究[D].西北大學(xué)，2007，24（1）：44-52

作者簡(jiǎn)介：孫燕（1987.07-），女，漢族，浙江省寧波市人，浙江省寧波市東海艦隊(duì)子女學(xué)校生化組，中教二級(jí)，大學(xué)本科，研究方向：主要從事中學(xué)化學(xué)教育教學(xué)。