乙二胺硅胶材料对铜和锌离子的动态吸附.pdf

第30卷第1期
应用化学
Vol 30 Iss. 1
2013年1月
CHINESE JOURNAL OF APPLIED CHEMISTRY
Jan.2013
乙二胺硅胶材料对铜和锌离子的动态吸附
范忠雷”査会平栗帅乔欢欢
(郑州大学化工与能源学院郑州450001)
摘要合成了胺基含量为1.35mmol/g的乙二胺硅胶材料( EDA/Sio2),研究了 EDA/Sic2对Cu2'和Zn2
的动态吸附及动态竞争吸附。结果表明,铜溶液流量和初始浓度对材料动态吸附性能有显著影响,随着溶液
初始浓度的增大、流速的加快,穿透时间明显缩短。动态吸附实验结果符合 Thomas模型,计算结果显示,铜溶
液初始浓度由1.99mmol/L增大至10.00mmol/L时,模型平衡吸附容量qo从0.272mol/g增大至
0.476mmol/g,影响显著;流量对影响不显著。溶液流量和初始浓度对吸附速率常数k?均有影响,随溶液
流量增大、初始浓度的降低,速率常数值增大。在单一体系中,EDA/SiO2对Cu2“和Zn2的工作吸附量分别为
0.340和0.127mmo/g,混合体系的吸附量均小于单一体系中的吸附量,并且对Zn2的吸附量下降显著,表明
EDA/SiO2对Cu2的吸附能力强于Zn2'。6次循环实验表明,盐酸和氨水可对EDA/SiO2材料实现再生,再生
后材料对铜的吸附容量和穿透时间的下降幅度不大,可重复使用。
关键词乙二胺硅胶材料,Cu2+,Zn2+,动态吸附
中图分类号:0647.3
文献标识码:A
文章编号:1000-0518(2013)01-0093-06
DOI:10.3724/SP.J.1095.2013.20027
在有机合成、电镀和冶金等领域中,广泛存在的含金属离子的污水对环境和生态将造成严重危害。
传统处理方法包括化学沉淀、渗透膜、离子交换、吸附和电解等,其中吸附法是重金属废水处理的常用方
法。当前工业采用的吸附剂(主要有离子交换树脂、天然沸石、生物质、活性炭以及粉煤灰等)普遍存在
着效率不高、难以处理低浓度重金属离子废水等缺点11。多胺型硅胶复合材料具有功能基团的浓集效
应和特定表面结构、高比表面积及优良的机械稳定性,可与低浓度重金属离子整合而显示出优良的吸附
性能,成为近年来功能材料研究中的一个热点1。如 Hughes等56和An等将聚乙烯亚胺接枝到硅
胶表面得到的整合材料,其对Cu2+、Zn2'N2+和Pb*等重金属离子表现出优良的吸附性能,可以再通
过官能团修饰或表面印迹提高该材料对特定离子的选择性吸附。前文?报道的聚烯丙基胺硅胶材料对
Cu2+、Zn2“和Pb2*均具有高的吸附容量和良好的稳定性。但是价格昂贵,在一定程度上限制了它的工
业应用。其后报道了以氯丙基三氯硅烷为偶联剂,将乙二胺偶联接枝到硅胶表面,得到的乙二胺硅胶材
料( EDA/Sio2)对铜、锌离子的静态吸附性能2,?。本文在此基础上通过固定床系统对EDA/SiO2材料
进行了动态吸附实验,研究了对模拟废水中铜离子的动态吸附以及铜离子和锌离子体系的竞争动态吸
附行为,为该材料的实际应用提供一定的依据。
1实验部分
1试剂和仪器
吸附剂EDA/SiO2自制2,,胺基含量为1.35mmol/g。硫酸铜、硝酸锌等均为分析纯;铜溶液和锌
溶液由CuSO2和Zn(NO3)2与去离子水配制,通过盐酸和氢氧化钠溶液调溶液pH值至4.0±0.1。
UV-2102PC型紫外可见光分光光度计(上海尤尼柯仪器有限公司);PHS-3C型酸度计(上海大中分
析仪器厂);BT-100-2丁型恒流蠕动泵(保定兰格恒流泵有限公司)。
201201-17收稿,2012-03-15修回
河南省重点科技攻关计划项目(112102210237)
通讯联系人:范忠雷,副教授;Tel/Fax:037-67780114;E-mail.zhifan@zu,edu.cn;研究方向:吸附功能材料
应用化学
第30卷
1.2固定床吸附实验
吸附柱为内径12.5mm、高约60mm的带橡胶塞的聚丙烯柱。采用干法装柱,吸附前用去离子水冲
洗驱气。为减少溶液沟流,柱底部人口加装筛板和滤纸,柱上部出口垫一层脱脂棉。吸附操作时用恒流
泵将一定浓度的铜或锌溶液自下而上通过吸附床,环境温度为15-20℃。定时取样测定流出液中Cu2t
或n2“的浓度。规定流出液中金属离予子浓度为进料液浓度的10%(c,/c0=0.1)时对应的时间为穿透时
间,用t表示。
1.3吸附模型
Thomas吸附动力学模型常用来描述吸附柱的穿透曲线,并能计算出饱和吸附容量及吸附速率
常数,其线性化形式为
式中,km为 Thomas速率常数(L/( min mmol)),qo为平衡时单位质量吸附剂吸附金属的量(mmol/g),
m为柱中吸附剂的质量(g),c为吸附质的初始浓度(mmol/L),c为吸附质的流出浓度(mol/山),t为吸
附流出时间(min),Q是柱流量(L/min)。其简化形式为:
)=A+B
在给定的实验条件下,A=-んmc0和B=んnqom/Q,A和B均为常数。
2结果与讨论
2.1溶液流量对穿透曲线的影响
吸附剂装填量1.0g、硫酸铜溶液初始浓度约为5mmol/L、pH=4.0,不同流量时的穿透曲线如图1
所示。采用 Thomas线性化模型对图1数据进行拟
合,由拟合方程系数A和B计算得到的 EDA/Sio2'?
材料的饱和吸附容量和吸附速率常数列于表1。
由图1可知, EDA/Sio2材料对Cu2“的穿透时间
随着溶液流暈的增加而缩短。表1显示,随溶液流
量增大, Thomas速率常数逐渐增加,而材料平衡吸
0.4
附量维持在0.373~0.380mmol/g之间。因为增加
0.2
流速能有效减小材料表面液膜阻力,提高材料表观
螯合速率常数。由于EDA/SiO2材料以大孔硅胶为
基体,对铜离子螯合的官能团全部位于基体孔表面,
Time/min
能迅速捕获靠近其表面的铜离子,因此其吸附量主
图1不同流量下的动态吸附曲线
要由材料表面官能团数量所决定,而流速对材料的Fg1 Dynamic adsorption curves of Cu(Ⅱ)at
吸附量影响不显著。如果将图1的横坐标换成流出 different flow rates
液体积,则4条穿透曲线基本重合,也说明在实验流 Flow rate( mlmin):a.0.50,0.71;:1.00a..67
速范围内,流速对EDA/SiO2材料的铜吸附容量没有
表1不同流速下 Thomas动态吸附模型参数
Table I The dynamic adsorption parameters of Thomas model at different flow rates
Q/(mlmin") co/(mmol.")
B
h/(L?min-?mmol-)qo
0.03274.951
0.0066
-0.03633.946
0.975
0.0075
0.375
0.0133
18
0.07533.568
0.991
0.057
0.379
# R is the inear comelation coeffcient of Thomas model<