強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換纖維對(duì)鎘離子的吸附研究

崔國(guó)士 高俊娜 束興娟 袁夢(mèng)珍 張蕊蕊

摘 要：本文采用河南科高輻射化工科技有限公司提供的強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換纖維對(duì)鎘離子進(jìn)行吸附性能研究。通過(guò)研究可以得出以下結(jié)論：強(qiáng)酸性離子交換纖維對(duì)重金屬鎘離子有良好的吸附性，最大吸附率為127.5mg/g；已吸附重金屬的離子交換纖維能用 0.1mol/L的硝酸進(jìn)行解析，纖維能進(jìn)行二次利用，而且解析后纖維的吸附能力變化不大。

關(guān)鍵詞：陽(yáng)離子交換纖維；鎘離子；吸附能力

中圖分類號(hào)：TQ425；O647.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）16-0133-03

Study of the Adsorption of Cadmium on Strong Acid Cation Exchange Fibers

CUI Guoshi1，2 GAO Junna1，2 SHU Xingjuan1，2 YUAN Mengzhen1，2 ZHANG Ruirui1，2

Abstract： This paper used the strong acid cation exchange fiber provided by Henan Kegao Radiation Chemical Technology Co. Ltd. to study the adsorption properties of cadmium ions. The following conclusions could be drawn from the study： strong acidic ion exchange fiber had good absorption of heavy metal cadmium ions.The maximum adsorption rate was 127.5mg/g， and the ion exchange fibers that have adsorbed heavy metals could be analyzed with 0.1mol/L nitric acid， and the fiber could be used for two times， and the adsorption capacity of the fiber was little changed.

Keywords： cation Exchange fiber；cadmium ions；adsorption capacity

1 研究背景

離子交換纖維是繼離子交換樹(shù)脂之后一個(gè)新型的離子交換材料，其可以以各種纖維如聚烯烴、聚丙烯腈纖維[1]、聚乙烯醇纖維[2]、聚苯硫醚纖維[3]以及聚氯乙烯等纖維原料，通過(guò)濕法或者干法形式制成無(wú)紡布，或?qū)ζ溥M(jìn)一步改性。由于其具有比表面大、吸附與解析速度快、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，因此可以用于氣體凈化、污水處理[4]、重金屬分離[5]和生物化工[6-10]等多方面。本文以河南科高輻射化工科技有限公司研制的一種強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換纖維進(jìn)行鎘離子吸附實(shí)驗(yàn)。該離子交換纖維中含有大量的極性基團(tuán)羧基，增強(qiáng)了纖維的親水性，為吸附重金屬提供可能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該材料對(duì)鎘離子吸附能力較強(qiáng)，吸附速率快，可以再生，是一種比較理想的離子交換材料。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料與試劑

強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換纖維：河南科高輻射化工科技有限公司提供。其他試劑均為市售，分析純。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

756MC紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海高致精密儀器有限公司；酸度計(jì)：上海先農(nóng)儀器儀表有限公司；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；FA2004電子天平，上海上平儀器有限公司。

2.3 分析方法

利用紫外光譜儀測(cè)定溶液中鎘離子的初始濃度及吸附一定時(shí)間后的濃度。

2.4 強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換纖維對(duì)鎘離子吸附容量的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換纖維0.1g（精確到0.000 1g），放于250mL錐形瓶中，20℃下加入200mg/L的硝酸鎘溶液150mL，24h后測(cè)定溶液中鎘離子濃度，纖維吸附率Qe按式（1）計(jì)算：

Qe=V[C0-Ce/W] （1）

式（1）中，Qe表示纖維吸附率（mg/g）；V表示溶液體積（L）；[C0]表示鎘離子初始時(shí)的濃度（mg/L）；[Ce]表示鎘離子平衡時(shí)的濃度（mg/L）；W表示離子交換纖維量（g）。

2.5 吸附動(dòng)力學(xué)的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取10份強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換纖維各0.1g，置于250ml錐形瓶中，加入200mg/L的硝酸鎘溶液150ml，20℃下震蕩吸附，分別在0、1、2、4、6、9、12、17、23min和30min時(shí)，測(cè)定溶液中鎘離子濃度，計(jì)算纖維吸附率Qt：

Qt=V[C0-Ct/W] （2）

式（2）中，Qt表示t時(shí)刻纖維吸附率（mg/g）；[Ct]表示t時(shí)刻鎘離子濃度（mg/L）。

2.6 溫度對(duì)離子交換纖維吸附率的影響

準(zhǔn)確稱取0.1g干燥陽(yáng)離子交換纖維7份，分別放入200mg/L，150mL的鎘離子溶液中，10、20、30、40、50、60℃和70℃下，30min后，分別測(cè)定離子交換溶液中鎘離子濃度，同時(shí)計(jì)算陽(yáng)離子交換纖維的吸附率。

2.7 重金屬離子解析

為了將重金屬及離子交換纖維回收，需對(duì)已吸附的離子交換纖維進(jìn)行解析，把重金屬離子解析下來(lái)。常用的方法即降低溶液的pH值，增強(qiáng)溶液酸度，或加入強(qiáng)配位體。本研究采用0.1mol/L的HNO3溶液對(duì)吸附重金屬后的離子交換纖維進(jìn)行洗脫，然后再對(duì)該離子交換纖維動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行研究。

3 結(jié)果與討論

3.1 離子交換纖維的吸附率

離子交換纖維的吸附率是一個(gè)重要指數(shù)，其影響纖維的投放量及對(duì)溶液中重金屬的吸附效率。離子交換纖維的吸附率越大，纖維吸附重金屬的量就越多，交換纖維的投放量就越少，對(duì)溶液中重金屬的吸附率就越大，離子交換纖維的效率就越高。本研究中，離子交換纖維在吸附24h后，溶液重金屬離子濃度測(cè)定為115mg/L。根據(jù)離子交換纖維吸附率計(jì)算公式得出該強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換纖維的吸附率為127.5mg/g。

3.2 吸附動(dòng)力學(xué)

確定吸附平衡所需時(shí)間，研究吸附動(dòng)力學(xué)對(duì)離子交換纖維實(shí)際應(yīng)用有重要指導(dǎo)意義。吸附平衡所需時(shí)間越短，說(shuō)明纖維吸附速率越高，離子交換纖維在應(yīng)用中的效率也越高。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，該強(qiáng)酸性離子交換纖維在20min內(nèi)即達(dá)到吸附平衡，這與該纖維的親水性好有關(guān)，親水性越好，越有利于重金屬離子在纖維內(nèi)的擴(kuò)散。

3.3 溫度對(duì)纖維吸附率的影響

升溫有利于離子擴(kuò)散。同樣在離子交換吸附實(shí)驗(yàn)中，升溫有利于重金屬離子擴(kuò)散到交換纖維內(nèi)部，提高離子交換速率。本升溫實(shí)驗(yàn)顯示，溫度越高，吸附平衡所需時(shí)間越短（見(jiàn)圖2）。溫度的影響在實(shí)際應(yīng)用中考慮經(jīng)濟(jì)成本，所以最佳吸附溫度為20～40℃。

3.3 重金屬離子的解析

為了使離子交換纖維二次利用，必須對(duì)所吸附的金屬離子進(jìn)行解析。陽(yáng)離子交換纖維一般采用鹽酸、硫酸等酸性相對(duì)較強(qiáng)的無(wú)機(jī)酸或者較強(qiáng)的配位體浸泡交換纖維來(lái)對(duì)金屬離子進(jìn)行解析。本實(shí)驗(yàn)采用0.1mol/L硝酸進(jìn)行解析。解析后的離子交換纖維二次利用性能變化不大（見(jiàn)圖3）。

4 結(jié)論

①?gòu)?qiáng)酸性離子交換纖維對(duì)重金屬鎘離子有良好的吸附性，最大吸附率為127.5mg/g。

②由于離子交換纖維含有大量磺酸基，與水的極性相似，擴(kuò)散速率高，纖維達(dá)到吸附平衡時(shí)間短。

③升溫加快了離子游動(dòng)，有利于纖維迅速達(dá)到吸附平衡。

④已吸附重金屬的離子交換纖維能用0.1mol/L的硝酸進(jìn)行解析，纖維能進(jìn)行二次利用，而且解析后纖維的吸附能力變化不大。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫小莉，曾慶軒，李明愉，等.聚丙烯腈基離子交換纖維制備研究進(jìn)展[J].合成纖維，2008（7）：6-9.

[2]逯陽(yáng)，張華.高強(qiáng)聚乙烯醇離子交換纖維的制備和應(yīng)用[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（6）：5-8.

[3]李仙蕊，黃佳佳，原思國(guó).PPS基強(qiáng)酸離子交換纖維的制備及對(duì)Cr（Ⅲ）的吸附性能[J].高分子材料科學(xué)與工程 ，2012（9）：145-149.

[4]崔蘭，代立波，原思國(guó).離子交換纖維對(duì)含鉻廢水的資源化治理研究[J].離子交換與吸附，2015（2）：123-130.

[5]周從章，李明愉，曾慶軒.離子交換纖維對(duì)重金屬的吸附研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2003（7）：26-28.

[6]劉麗，劉廷岳.離子交換纖維對(duì)生物堿靜態(tài)吸附的研究[J].北京中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（12）：851-855.

[7]李鑫，趙俊英，李偉，等.弱酸性陽(yáng)離子交換纖維對(duì)銅離子吸附性能的研究[J].河南科學(xué)，2008（1）：28-30.

[8]鄭建，魏俊富，趙孔銀，等.弱酸性陽(yáng)離子交換纖維及其對(duì)水中微量鐵（Ⅲ）離子富集[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（2）：5-9.

[9]雷云逸，林昆華，汪福順，等.含羧基離子交換纖維合成及其對(duì)UO22+的吸附性能研究[J].核技術(shù)，2009（9）：689-694.

[10]張捷，宋艷陽(yáng)，原思國(guó).PAN基羧基離子交換纖維從電鍍廢水中回收鎳和銅的研究[J].高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，2015（6）：1519-1524.