在Fe3O4-SiO2磁性纳米颗粒上嫁接聚1 -乙烯基咪唑用于去除二价汞离子外文翻译资料

 2022-09-18 17:27:13

英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

在Fe3O4-SiO2磁性纳米颗粒上嫁接聚1 -乙烯基咪唑用于去除二价汞离子

Chao Shan, Zhiyao Ma, Meiping Tong*, Jinren Ni

（水和沉积物科学教育部重点实验室，环境科学学院

北京大学工程学院，北京100871）

摘要：

通过将聚1 -乙烯基咪唑低聚物嫁接到Fe3O4-SiO2磁性纳米颗粒上形成FSPV作为一种新型吸附材料用于从水中去除二价汞离子。傅立叶变换红外光谱证实了低聚物已经成功嫁接，热重分析表明FSPV具有有机物含量为22.8%的高嫁接率。透射电子显微镜图像显示FSPV颗粒聚合物微球的粒径大小为10-20纳米。饱和磁化强度为44.7emu/g，通过简单的磁处理就可以在5分钟内将FSPV颗粒从水中分离。在pH=7、25摄氏度、离子强度为10mM的氯化钠中，FSPV对Hg2 的吸附容量为346mg/g。而且，FSPV对Hg2 的去除不显著到受溶液pH（pH从4-10）的影响，受腐殖酸（TOC达到8mg/L）的影响也不显著。Na 、K 、Ca2 、Mg2 、Cl-、NO3-、SO42-这七种常见的离子的存在（离子强度达到100mM）会略微增加FSPV对Hg2 的吸附。X射线光电子能谱分析表明，咪唑环上的N原子负责与Hg（II）的结合，而Hg和N的结合没有导致HgCl和HgClOH分子中的Hg-Cl断裂。吸附了Hg（II）的FSPV在0.5M的HCl中，10min内即可实现回收，而且在五次连续的吸附-解析试验中，回收后的FSPV对Hg（II）的去除率维持在94%。因此，FSPV可以作为一种有前景的吸附材料用于废水中Hg（II）的去除。

关键词：

汞 吸附 磁铁矿 咪唑 二氧化硅 磁性纳米颗粒

1前言

作为毒性最强的金属之一的汞，由于其稳定性和在食物链中的生物累积性（Langford 和 Ferner, 1999），已经越来越受到关注。人为活动比如金矿和汞矿的开采、冶金、电子和电池制造、化工产业中汞的不合理排放，导致汞排放到水体中（Boening, 2000; Wang 等人,2004; Jiang 等人, 2006）。水体汞污染对公众安全和水生生物都有极大地危害。因此，对受到汞污染周边地区的关注越来越多，特别是在亚洲(Li等人, 2009)。由于其溶解性和稳定性，Hg（II）是人为废水和自然水环境中无机汞的存在形式，而且，经过生物甲基化作用，二价汞可以转化为更高毒性的形式(Loux, 1998; Wang等人, 2004)。因此，研究高效的技术从水体中去除汞势在必行。

在Hg（II）的去除方法中，吸附法被视为最具有前景的技术之一(Miretzky 和 Fernandez Cirelli, 2009)。在许多种类的吸附剂中，磁性纳米颗粒(MNPs)由于其仅需一次简单的磁过程即可方便地从废水中分离出来，因此得到了广泛的关注 (Tang和 Lo, 2013)。基于硬软酸碱理论(HSAB)，软基是用于固定软酸性汞（Ⅱ）的有利配体。因此，MNPs(Fe3O4或者r-Fe2O3)在用于从水中去除Hg（II）之前，都要预先用有机化合物（主要包括含氮基团和硫酸基团）修饰(Figueira 等人, 2011; Song 等人, 2011; Mandel等, 2012; Panet 等人, 2012; Zhang 等人, 2012)。尽管通过使用这些吸附剂可以将Hg（II）有效地去除，但是这些吸附剂的再生和再利用十分困难。首先，由于铁的溶解，没有二氧化硅壳层的吸附剂是不可能在酸性溶液中再生，此外，对于含有硫配体的吸附剂，还原性硫原子和汞的紧密连接也会抑制吸附剂对Hg（II）的解吸。例如，Hakami 等人（2012）发现，在离子强度1M和3M的盐酸中，Hg（II）从脱巯基功能化修饰的MNPs解吸的效率分别只有10%和70%。将解吸考虑在内，在长期的应用中，含氮基团配体比含硫基团配体更可取。

咪唑是一种氮取代的芳香杂环化合物，其对汞（II）亲和力强(Brooks 等人

Davidson, 1960)。此外，通过咪唑基单体聚合吸附容量将大大增强。Molina 等(2001)发现使用聚1-乙烯基咪唑水凝胶颗粒可以将Hg（II）有效地从酸水溶液中去除。takafuji等人（2004）的研究表明，嫁接聚1-乙烯基咪唑低聚物在MNPS上所制备的吸附剂可吸附Cu2 、Ni2 和Co2 。然而，在之前的研究中，这些方法在去除汞上尚未报道。而且，该低聚物直接嫁接到r-Fe2O3表面，由于Fe会溶解在酸性溶液中，会导致吸附剂不能再生和应用。相应的，在之前的研究中，对于磁性吸附剂至关重要的再生性能和回收性能都没有得到关注。因此，为了保证吸附剂的长期应用，通过解决吸附剂再生过程中铁的溶解问题来提高MNPS的性能势在必行。Wang 等人(2010)发现，通过用二氧化硅作为保护壳层，MNPS中铁的溶解可以得到有效的抑制。具体地说，他发现在十二小时内，离子强度为1M的盐酸中，铁从氨基功能化的Fe3O4-SiO2磁性纳米颗粒上的浸出率低于1%。由于二氧化硅层的化学性质稳定，SiO2改性修饰MNPs的再生可通过从酸性溶液中吸附重金属的解吸达到。显然，首先在裸Fe3O4上涂覆SiO2，然后将聚1-乙烯基咪唑低聚物嫁接到Fe3O4-SiO2磁性纳米颗粒上可以保证制备的汞离子吸附剂的再生和回收。因此，本研究的目的在于通过在Fe3O4-SiO2磁性纳米颗粒上嫁接聚1-乙烯基咪唑低聚物合成一种新型吸附剂，并且研究其在从废水中去除汞离子的应用。除了吸附等温线和吸附动力学研究，溶液的pH，共存离子、腐殖酸对Hg（II）去除的影响也进行了探究。在光谱研究的基础上，对吸附机理进行了探索和研究。此外，对吸附剂的再生和再利用也进行了评价。

2材料和方法

2.1材料

Hg（II）储备液的制备：将HgCl2（优级纯，中国四川成都西亚试剂）溶于用梯度水净化系统（Milli-Q, Millipore, Billerica, MA, USA）制备的超纯水（电阻率大于18.8兆欧cm）中。1 -乙烯基咪唑(1-VIm, 99%, Aldrich, St. Louis, MO, 美国)；三乙氧丙烯硅烷 (TEOVS, 97%, Aladdin, 中国上海),2，2-偶氮（2-甲基丙腈）(AIBN, 98%, Aladdin)分别被用作单体，终端和引发剂。注意，使用前AIBN是用体积分数95%乙醇重结晶纯化产生针状白色晶体。腐植酸钠颗粒从有机物中产生，(Geel, Belgium)。HCl和NaOH保证试剂（GR）来自北京化工厂，无水甲醇（GR，北京同光精细化学品）作为接收剂。所有其他在本研究中所用的化学试剂（AR）从国药集团化学试剂（上海，中国）和西陇化工有限公司（汕头，广东，中国）。标准的解决方案是从中国国家计量研究所购买的。

2.2吸附剂的制备

2.2.1 Fe3O4磁性纳米颗粒的制备

通过在一个500mL的烧瓶中用水相共沉淀法制备Fe3O4磁性纳米颗粒。在整个制备过程中，在200mL的混合液（0.2M FeCl3 0.1M FeCl2）中不断通过氮气气泡，在剧烈的机械搅拌下驱除溶解氧。黑色沉淀形成后，在室温环境中缓慢加入氨水（质量分数25%-28%）直到pH达到10。接着将悬浮液加热到80摄氏度，该温度下保持25分钟，之后置于冷水中冷却至室温。得到的沉淀物用磁铁分离，用去离子水反复冲洗直至上清液呈中性（pH为7）。超声分散五分钟，将磁性纳米颗粒再分散至200毫升去离子水中。

2.2.2 二氧化硅包覆Fe3O4磁性纳米颗粒

通过借鉴前人的一种划算的方法将二氧化硅包覆到Fe3O4磁性纳米颗粒上（Hu 等人, 2010; Wang 等人, 2010）。将前面制得的Fe3O4磁性纳米颗粒悬浮液与50mL硅酸钠溶液(0.35 M)混合，再将混合悬浮液超声处理2分钟。在强烈的机械搅拌和氮气保护下将悬浮液加热到80摄氏度，然后在20分钟内将3M的盐酸逐滴加入到pH接近6，将混合液在80摄氏度下搅拌2小时，在这个过程中，使用3M盐酸将PH值不断调整为6。最后将悬浮液冷却至室温。包覆后的磁性纳米颗粒在磁性分离的帮助下反复洗涤，在60摄氏度下烘干一夜，研磨得到黑色粉末（即Fe3O4@SiO2）。

2.2.3聚合1 -乙烯基咪唑

通过自由基聚合得到1 -乙烯基咪唑低聚物（方法来自Takafuji 等人，2004）。简单地说，即将5毫升1 -乙烯基咪唑，0.6毫升TEOVS和112毫升AIBM重结晶溶解于80毫升无水甲醇中。在回流温度下搅拌36小时，期间将超纯氮气（99.999%）气泡鼓入溶液中。产品（简称P VIM）用凝胶渗透色谱（GPC）分离，用电喷雾电离-傅立叶变换质谱法分析(ESI-FTMS, APEX IV, Bruker Daltonics Inc., Billerica, MA, 美国)。

2.2.4 嫁接

采用硅烷化方法，在200 m L的甲醇和甲苯混合溶液（30:70，V/V）中反应24小时，将P VIM低聚物嫁接到Fe3O4@SiO2表面。冷却至室温后，用磁铁分离嫁接后的磁性材料，用有机溶剂洗涤，关于洗涤的详细内容见表一。最后，将洗涤后的磁性材料在60摄氏度下烘一夜，研磨得到黑色粉末（用FSPV表示）。

2.3吸附剂性质

用傅立叶变换红外光谱法对吸附剂成分进行了鉴定(FTIR, Tensor 27，Bruker, 德国)。测定时固体样品通过KBr压片在传输模式下测定，液体样品采用衰减后的全反射附件测定(ATR, MIRacle,Pike Technologies, Madison, WI, USA).制备好的材料的元素含量和化学成分通过X射线光电子能谱表征(XPS,Axis Ultra, Kratos Analytical Ltd., Manchester, UK)，辐射源是单色Al Ka(225 W, 15 m A, 15 k V)。有机成分热重分析仪量化(TGA, Q50, TA Instruments, New Castle, DE,USA)。用透射电镜对纳米颗粒的形貌和尺寸进行了表征(TEM,Tecnai G2 T20, FEI,Hillsboro, OR, USA)。用交变梯度磁强计（AGM，得到的磁滞回线测量2900-04c，普林斯顿公司，普林斯顿，NJ，USA）来表征材料的磁特性。Zetasizer Nano ZS90型电位测量仪（马尔文仪器有限公司，伍斯特郡，英国）是用来测量制备的吸附剂在不同的pH值从4到11时的Zeta电位。

2.4.吸附试验

所有用于吸附实验的容器和样品瓶都用玻璃器皿代替塑料减少汞在容器上的吸附，并且玻璃容器在使用前要在2 M HNO3中浸泡一夜作为预处理。一般而言，在装有50ml Hg（II）的100ml锥形瓶中，加入5mg的吸附剂用超声波分散两分钟，使其分散于汞离子溶液中。将锥形瓶密封，在25摄氏度，180rpm的恒温水浴中震荡足够长时间使其达到平衡。除非另有说明，用 NaOH溶液对Hg（II）溶液的初始pH值调整为7plusmn;0.1，在制备的汞离子溶液中，用10 M NaCl溶液作为背景电解质代表典型的Hg（II）溶液的离子强度。当吸附达到平衡后，悬浮物用磁铁分离，分别用原子荧光光谱仪(AFS9130, Titan Instruments，Beijing,China)检测上清液中高浓度的Hg（II）浓度，用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，神童，Teledyne公司Leeman Labs，哈德森，NH，USA）检测低浓度（1mg/L以下）的Hg（II）浓度。汞的吸附量通过进行质量平衡之间的初始和最终的汞浓度进行了计算，所有的批量吸附实验均进行三次。

在适当的浓度范围内，对Hg（II）的初始浓度设置不同的梯度，通过比较来得到Fe3O4，Fe3O4@SiO2，和FSPV的吸附等温线，而改性吸附剂FSPV与所有其余的吸附实验单独研究。在吸附动力学研究中，将15毫克FSPV分散到150 m l 1 mg/L Hg（II）的溶液中，随后取1m L等分取样，在一系列时间间隔内过滤通过0.22毫米的聚醚砜膜。通过用盐酸和氢氧化你溶液调节最初溶液的pH跨度从2到12来研究溶液pH的影响，同时测定铁在处理液中的释放。在包括离子强度从0到100 mm的NaCl、Na2SO4、Na NO3，KNO3，Ca（NO3）2，和Mg（NO3）2六种盐溶液中进行吸附试验探讨常见阳离子（Na ，K ，Ca2 ，Mg2 ）和阴离子（Cl-、NO3-、SO42 ）对Hg（II）去除的影响。腐殖酸储备液在使用前用1 M HCl调p H 为7，然后通过0.22毫米的聚醚砜膜过滤。过滤后的腐殖酸储备液的总有机碳（TOC）含量通过燃烧型TOC仪测定（toc-v CPN，岛津，京都，日本）。

2.5吸附剂再生和再利用

通过进行五次连续的吸附-解吸循环实验来测试FSPV的再利用能力，每次试验均重复三次。每一个吸附过程进行了12小时的批次处理实验。然后用磁铁将吸附剂从溶液中磁分离，用去超纯水缓慢清洗去除附着的溶液。随后将收集到的吸附剂分散到20ml浓度为0.5M的盐酸中，在180rpm转速下短暂震荡十分钟以再生吸附剂。在下一个循环实验开始之前，要将再生的吸附剂用超纯水反复冲洗直到冲洗液呈中性（p H为 7）。

3结果和讨论

lt;

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[148582]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章