氧化鋅/氧化鋁復合粉體的制備及其對Cr(III)的吸附

高友君，陳政

(賀州學院 化學與生物工程學院，廣西 賀州 542899)

Cr(III)是人體必需的微量元素之一，是重要的血糖調節劑，也有助于生長發育，缺乏時可能會導致心臟疾病。但是高濃度Cr(III)會使DNA 氧化損傷，有致癌作用［1-2］，并且在使用和保存中會轉化成毒性比其強100 倍的Cr(VI)。目前對含Cr 廢水的處理主要有吸附法、離子交換法、電解法、電滲透法及生物處理法。其中，吸附法因其操作簡單、成本低已成為使用最廣泛的一種方法［2-6］。

相較于生物吸附劑，無機粉體材料也具有較大的吸附容量，本研究就采用液相沸騰回流法制備了不同摻鋁量的氧化鋅/氧化鋁復合粉體［7］，考察其對Cr(III)的吸附去除效果，并探討了摻鋁量、投加量、溫度和吸附時間等條件對Cr(III)吸附率的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

ZnSO4·7H2O、Al2(SO4)3·18H2O、NaOH、CrCl3·6H2O、無水乙醇、聚乙二醇均為分析純。

SX2-5-12 馬弗爐;JB-3A 型恒溫定時磁力攪拌器;SP-722 型可見光光度計;DGF301-HG101-2A 型電熱鼓風干燥箱。

1.2 氧化鋅/氧化鋁復合粉體的制備

［7］的合成方法，向一定摩爾配比的Al2(SO4)3·18H2O 和ZnSO4·7H2O 混合溶液中加入2 mL 分散劑聚乙二醇，邊攪拌邊緩慢滴加NaOH溶液，控制pH 值在8.0 左右，在此混合溶液中加蒸餾水定容至250 mL，得到白色粘稠的膠體。繼續攪拌加熱溶液至沸騰并回流1 h，得到白色沉淀。將其離心分離，洗滌，得到前驅體。將前驅體轉至馬弗爐中在500 ℃下焙燒1 h，可制備摻鋁摩爾分數分別為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的氧化鋅/氧化鋁復合粉體。

1.3 Cr(III)標準曲線的繪制

準確移取Cr(III)貯備液25 mL，用蒸餾水稀釋定容至250 mL。分別移取5.0，10.0，15.0，20.0，25.0，30.0，35.0，40.0，45.0 mL 于9 個50 mL 容量瓶中，再分別加入5 mL 的硫磷混合酸溶液，定容至50 mL。在580 nm 波長處，以試劑空白作參比測定以上溶液的吸光度，繪制Cr(III)標準工作曲線［8-9］。以質量濃度C(μg/mL)為橫坐標，吸光度A 為縱坐標，繪制標準曲線，見圖1。

圖1 Cr(III)標準曲線Fig.1 Standard curve of Cr(III)

由圖1 可知，Cr(III)質量濃度在100 ～900 μg/mL范圍內與吸光度呈線性關系，標準工作曲線 回 歸 方 程 為:A = 0.000 3C－0.001，R2=0.999 4。

1.4 吸附實驗

分別稱取20，30，40，50，60 mg 的氧化鋅/氧化鋁復合粉體于錐形瓶中，加入20 mL 質量濃度為800 μg/mL 的Cr(III)溶液。室溫下攪拌，吸附反應一定時間后，離心分離取上清液，再加入硫磷混酸將溶液pH 調約為2.0，在580 nm 波長處測定溶液的吸光度，計算其對Cr(III)的吸附量。

首先，根據標準工作曲線回歸方程，計算出吸附反應后的Cr(III)溶液的濃度;然后，根據公式(1)計算其吸附量［10］。

式中 C0——Cr(III)溶液的初始質量濃度，μg/mL;

Ce——吸附結束后Cr(III)溶液的質量濃度，μg/mL;

V——Cr(III)溶液的體積，mL;

m——氧化鋅/氧化鋁復合粉體的干重，mg;

qe——吸附量，μg/mg。

2 結果與討論

2.1 不同摻鋁量和投加量對Cr(III)的吸附效果影響

圖2 為不同氧化鋅/氧化鋁復合粉體在不同投加量的條件下對Cr(III)的吸附效果影響。

圖2 不同材料及投加量對Cr(III)的吸附量Fig.2 The adsorption properties of ZnO/Al2O3 composites on Cr(III)at different amounts of different materials

由圖2 可知，當摻鋁量越多時，材料對Cr(III)的吸附效果越差，吸附量隨之降低。這是由于氧化鋅/氧化鋁復合粉體的晶粒的尺寸隨著摻鋁量的增加而變大［11］。隨著粒徑的增大，材料比表面積減小，表面能及表面結合能也迅速減小，所以對Cr(III)的吸附效果越差，吸附量就越小。其中摻鋁量為0.5%的材料對Cr(III)的吸附量較大并且變化趨勢較穩定，故取此材料進行后面的單因素實驗。

由圖2 還可以看出，在一定范圍內吸附劑用量增加，吸附量隨之增大，而當吸附劑用量達到一定數值時，吸附量反而降低。這可能的原因是吸附劑用量增加，吸附劑的吸附活性點隨之增多，所以吸附量隨之增大［12］;而當吸附劑用量達到一定量時，吸附量降低，這可能是因為吸附劑產生了團聚，吸附劑的吸附活性點隨之減少，所以吸附量降低。綜上所述，摻鋁量為0.5%的材料在投加量為40 mg 時的吸附量最好，達到165.00 μg/mg。

2.2 不同溫度和時間對Cr(III)的吸附效果影響

圖3 為摻鋁量為0.5%的氧化鋅/氧化鋁復合粉體在投加量為40 mg，改變反應溫度、吸附時間的條件下對Cr(III)的吸附效果影響。

由圖3 可知，溫度升高，吸附量降低。這是由于受熱運動的影響，溫度越高，熱運動越劇烈不易于吸附，因此，吸附能力下降［13］。所以，氧化鋅/氧化鋁復合粉體對Cr(III)的吸附受到溫度的影響，在30 ℃條件下即可達到較好的吸附效果。

由圖3 還可以看出，在開始時間內，吸附量迅速增大，在40，50，60 ℃條件下，只需要吸附反應15 min吸附量就可達到最大值，但在30 ℃條件下需要吸附反應30 min，吸附量才能達到最大值。這可能的原因是溫度升高，吸附反應速率增大，吸附就越快，達到吸附量最大值所需時間就越短。就整體而言，氧化鋅/氧化鋁復合粉體對Cr(III)的吸附較快。隨后，去除率略有下降，其中一個可能的原因是，氧化鋅/氧化鋁復合粉體發生溶脹等現象導致其微結構的變化［14］。這些表面結構的微弱變化對Cr(III)的吸附不利，導致吸附量有所降低。另一個可能的原因是，氧化鋅/氧化鋁復合粉體吸附Cr(III)是一個物理吸附，物理吸附是可逆的，吸附和解吸速度都較快，當達到一定吸附時間后，吸附的Cr(III)有可能解吸出來，故吸附量有所降低。因此，摻鋁量為0.5%的材料在30 ℃，投加量為40 mg，吸附時間為30 min 時，對Cr(III)的吸附效果最好，吸附量為150.00 μg/mg。

圖3 不同溫度及時間下氧化鋅/氧化鋁復合粉體對Cr(III)的吸附量Fig.3 The adsorption properties of ZnO/Al2O3 composites on Cr(III)at different adsorption temperature and adsorption time

2.3 摻鋁量為0.5%的材料在室溫與30 ℃時對Cr(III)的吸附效果

由表1 可知，在室溫(實驗溫度26 ℃)條件，摻鋁量為0.5%的材料對Cr(III)的吸附效果較好，與2.2 節所得結論一致，即溫度升高，吸附量反而下降，這與文獻［15］所得結論有出入，并且與其他無機材料相比［16］，氧化鋅/氧化鋁復合粉體能夠有效吸附Cr3+，并且吸附容量較大，可達165.00 μg/mg。

表1 室溫與30 ℃時氧化鋅/氧化鋁復合粉體對Cr(III)的吸附效果Table 1 The adsorption properties of ZnO/Al2O3 composites on Cr(III)at different adsorption temperature

3 結論

本文采用工藝簡單、易于控制反應條件及其粉體組成成分的液相沸騰回流法制備了氧化鋅/氧化鋁復合粉體，探討了摻鋁量、投加量、溫度和吸附時間對所制材料吸附Cr(III)的影響。實驗結果表明，摻鋁量為0.5%(摩爾分數)，投加量為40 mg，吸附溫度為26 ℃，吸附時間為30 min 時材料對Cr(III)的吸附效果最好，吸附量可達165.00 μg/mg。

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