陶瓷膜錯流擾動促進重金屬Cu(II)的吸附研究

夏易安 陶學瑞 田兆斌 王曉磊 殷娜 王珂（蚌埠學院，材料與化學工程學院，安徽 蚌埠 233030）

陶瓷膜錯流擾動促進重金屬Cu(II)的吸附研究

夏易安 陶學瑞 田兆斌 王曉磊 殷娜 王珂（蚌埠學院，材料與化學工程學院，安徽 蚌埠 233030）

上個世紀90年代，Yaghi等[1]首次提出金屬有機框架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)這一新概念，并制備出Co-MOFs。迄今為止，MOFs已廣泛應用于氣體存儲、藥物裝載、催化、傳感、氣體吸附與分離等領域[2-4]。目前，MOFs作為固相吸附劑已被用于吸附去除重金屬離子，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。關于MOFs除Cu(II)鮮見報道。前期研究發現，陶瓷膜超濾Zr-MOFs納米晶工藝可實現陶瓷膜對MOFs的100%截留，利用MOFs吸附重金屬離子Pb(II)，可實現重金屬Pb(II)的連續分離[6]。基于此，本文重點研究Zr-MOFs對Cu(II)的吸附可行性及陶瓷膜錯流擾動對吸附過程的影響，為實現重金屬Cu(II)的連續分離提供數據支持。

1 實驗方法

間歇燒杯實驗：將含有10mg·L-1Cu(II)溶液的燒杯置于集熱式加熱攪拌器(常州普天儀器制造有限公司，DF-101S型)中，預控溫度和pH，再加入0.01g Zr-MOFs(UiO-66-NH2型)吸附Cu (II)，一定時間間隔取樣，監測吸附過程中Cu(II)的濃度變化情況。

陶瓷膜連續錯流擾動實驗：將相同濃度的Cu(II)溶液10L置于超濾膜分離設備(天津大學，FLOM-UT-D1型)的原料桶內，加入相同質量的Zr-MOFs吸附Cu(II)，利用陶瓷膜(南京久吾，平均孔徑50nm)100%截留Zr-MOFs以實現重金屬Cu(II)的分離，通過原料桶夾套控制溫度，間隔時間在原料側和滲透側取樣，研究溫度對吸附過程的影響。

陶瓷膜對Zr-MOFs的截留(100%)利用濁度儀(上海上天，WGZ-1型)監測。Cu(II)濃度采用原子吸收分光光度計測定(北京瑞利分析儀器公司，WFX-130A型)。重金屬Cu(II)的吸附去除率，吸附量，滲透通量式中，Co為初始Cu(II)濃度(mg·L-1)，Ct為吸附t時間后的溶液中Cu(II)濃度(mg·L-1)。V是溶液體積(L)，W是Zr-MOFs吸附劑的質量(g)。VP為膜滲透側體積(L)，t為滲透時間(h)，A是膜的過濾面積(0.11m2)。

2 實驗結果與討論

2.1 間歇燒杯內吸附Cu(II)

由圖1(A-B)可知，溫度控制在40oC，攪拌速度120r∕min，燒杯實驗中Zr-MOFs對Cu(II)的吸附效果在pH為5時，基本沒有吸附能力，R=0%，這可以用于重金屬Cu(II)的脫附。在pH為6.3時，R接近80%，pH為7時吸附效果最好，R接近90%，吸附量qt大于80 mg·g-1。雖遠大于新近文獻報道的生物吸附劑的值67.10 mg·g-1[10]，但此時可能已形成Cu(OH)2沉淀。合適的pH宜選擇6。

圖1 pH對燒杯內Zr-MOFs吸附Cu(II)的影響

2.2 陶瓷膜連續錯流擾動吸附Cu(II)

由圖2(A-C)可知：孔徑為50nm陶瓷膜能很好地實現重金屬Cu(II)的去除，去除率R超過70%。去除率隨時間的變化曲線中有一個先下降后升高的趨勢。溫度升高，通量增大。陶瓷膜錯流擾動極大程度地促進了Zr-MOFs對Cu(II)的吸附過程。吸附量最高可達809.6mg·g-1。

3 結語

研究證實UiO-66-NH2型Zr-MOFs能很好地吸附重金屬Cu (II)，間歇燒杯實驗中，在pH=6和T=40℃時，Zr-MOFs對Cu(II)最大吸附量達61.4mg·g-1。利用陶瓷膜錯流擾動促進Zr-MOFs對Cu(II)的吸附，結果表明50nm陶瓷膜在T=40℃時對Cu(II)的吸附量高達809.6mg·g-1。由此可見，陶瓷膜連續錯流擾動極大程度地提高了Zr-MOFs對重金屬Cu(II)的吸附量。Zr-MOFs可利用陶瓷膜錯流實現對Cu(II)的高效連續吸附去除。

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)

重金屬污染已嚴重威脅環境和人類健康。本文研究陶瓷膜錯流擾動對Zr-MOFs吸附重金屬Cu(II)的促進作用。間歇燒杯吸附表明，Zr-MOFs能很好地吸附Cu(II)，pH為6、溫度40℃時，最大吸附量達61.4mg·g-1。利用陶瓷膜連續錯流擾動促進Zr-MOFs對Cu(II)的吸附，結果表明相同溫度下，50nm膜錯流擾動時Cu(II)吸附量可達809.6mg·g-1。可見，陶瓷膜錯流擾動可顯著提高Zr-MOFs對重金屬Cu(II)的吸附量。

Zr-MOFs；陶瓷膜；微波促進；重金屬離子

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)