PDMDAAC功能化二氧化鈦復(fù)合材料對(duì)金屬離子吸附研究

背景介紹金屬?gòu)U水因其對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重、危害人類健康而越來越引起人們的重視。二氧化鈦（TiO2）由于具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能和環(huán)境友好性，近年來被廣泛應(yīng)用于水體中金屬離子的去除。PDADMAC是一種強(qiáng)陽離子聚電解質(zhì)，由于電荷密度高，它是廢水處理中最理想的聚合物。PDMDAAC主鏈上有帶正電荷的銨基環(huán)狀結(jié)構(gòu)，有粘結(jié)劑的作用，改善顆粒和基材之間的附著力。本文以鈦酸四丁酯為前驅(qū)體，以PDADMAC為改性劑，采用凝膠-溶膠法制備功能化TiO2。在不同的工藝條件（pH、離子強(qiáng)度、吸附時(shí)間、吸附溫度、吸附濃度）下探討改性TiO2的吸附效率，并回收處理。文章亮點(diǎn)01.以鈦酸四丁酯為前驅(qū)體，PDMDAAC為改性劑，采用凝膠-溶膠法制備N、C、Cl摻雜的功能化二氧化鈦，改性二氧化鈦為銳鈦礦晶型，結(jié)構(gòu)疏松，比表面積增大，有利于吸附；02.以金屬離子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+為研究對(duì)象，當(dāng)PDMDAAC摻雜量物質(zhì)的量比為二氧化鈦的0.2%時(shí)，室溫條件下，5min內(nèi)Al3+、Cr3+去除率可以達(dá)到99%以上，屬于快吸附；03.Cu2+、Pb2+吸附動(dòng)力學(xué)模型符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。金屬離子存在競(jìng)爭(zhēng)吸附，吸附容量相比單獨(dú)吸附時(shí)有所減?。?4.改性吸附劑經(jīng)0.1mol/L檸檬酸溶液洗脫再用，重復(fù)利用8次，吸附率仍保持在84%以上。內(nèi)容介紹1實(shí)驗(yàn)部分1.1

主要儀器與試劑1.2

功能化二氧化鈦的制備1.2.1

凝膠-溶膠法制備二氧化鈦1.2.2

PDMDAAC功能化二氧化鈦（PDMDAAC@TiO2）1.3

吸附實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確稱取10.0mgPDMDAAC@TiO2于離心管中，加入Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+金屬離子溶液，濃度100mg/L，離子強(qiáng)度調(diào)至10.0%（質(zhì)量/體積），pH調(diào)至8.5，定容至200.0mL，室溫振蕩50min，8000r/min離心分離10min，取上清液，進(jìn)入ICP-OES測(cè)定。2結(jié)果與討論2.1

二氧化鈦的表征圖1為TiO2和PDMDAAC@TiO2

X射線粉末衍射圖。根據(jù)XRD譜圖分析，TiO2各個(gè)衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)銳鈦礦晶型TiO2的衍射峰峰位相符，25.3°（101）、38°（004）、47.7°（105）、54.8°（204）相對(duì)應(yīng)，不存在30.8°（121）衍射峰對(duì)應(yīng)的板鈦礦晶型，樣品與TiO2標(biāo)準(zhǔn)卡片JCPDS21-1272一致，說明TiO2和PDMDAAC@TiO2均為單一銳鈦礦晶型。在加入PDMDAAC后，N、C、Cl摻雜后，分散性得到了改善，更有利于水處理中的應(yīng)用。圖2為TiO2和PDMDAAC@TiO2掃描圖，可以看到，溶膠-凝膠法制備的TiO2結(jié)構(gòu)比較緊致，而通過陽離子電解質(zhì)PDMDAAC功能化改性，得到的TiO2表面結(jié)構(gòu)疏松，表面粗糙，孔洞增加，不容易結(jié)塊。圖3中TiO2和PDMDAAC@TiO2的吸附曲線屬于有明顯H3滯后Ⅳ等溫線，平均孔徑屬于介孔材料。2.2

TiO2和PDMDAAC@TiO2對(duì)金屬離子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+的吸附TiO2、PDMDAAC和PDMDAAC@TiO2對(duì)Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+吸附效率如圖5所示。2.3

功能化二氧化鈦吸附金屬離子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+工藝條件優(yōu)化2.3.1

pH對(duì)金屬離子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+吸附率的影響圖6為pH對(duì)金屬離子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2++吸附率的影響。2.3.2

離子強(qiáng)度對(duì)金屬離子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+吸附率的影響水體中無機(jī)離子的影響，以最常見的Na+為考察對(duì)象，研究共存離子對(duì)吸附4種金屬離子行為的影響?？疾炝薔aCl溶液（0、5%、10%、15%、20.0%）對(duì)Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+吸附率的影響。圖7結(jié)果表明，隨著離子強(qiáng)度的增大，Cr3+、Cu2+和Pb2+均在離子強(qiáng)度10.0%處達(dá)到吸附平衡，因NaCl增大了吸附劑與Cr3+、Cu2+和Pb2+的靜電作用。2.3.3

吸附溫度對(duì)金屬離子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+吸附率的影響實(shí)驗(yàn)考察了不同溫度（10、20、30、40、50℃）對(duì)Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+吸附率的影響。結(jié)果顯示，20℃時(shí)Cu2+吸附率達(dá)到最大，并隨溫度的升高保持平穩(wěn)；溫度對(duì)Al3+、Cr3+和Pb2+吸附率沒有影響。為了操作簡(jiǎn)便，選擇室溫為最佳吸附溫度。2.3.4

吸附時(shí)間對(duì)金屬離子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+吸附率的影響2.3.5

金屬離子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+濃度對(duì)吸附率的影響20℃、離子強(qiáng)度NaCl為10%、pH=8.5時(shí)，吸附時(shí)間為50min，1g吸附劑分別對(duì)Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+不同濃度溶液?jiǎn)为?dú)進(jìn)行吸附去除，同時(shí)對(duì)Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+

4種金屬溶液混合吸附去除。吸附劑用量為1g，金屬離子濃度在不同濃度下，吸附濃度結(jié)果如圖10所示。2.4

功能化TiO2回收再用3結(jié)論3.1

采用凝膠-溶膠法制備以鈦酸四丁酯為前驅(qū)體，以PDMDAAC為改性劑，采用凝膠-溶膠法制備N、C、Cl摻雜的功能化二氧化鈦，XRD表征屬于銳鈦礦晶型，SEM和BET表征表明，改性后結(jié)構(gòu)疏松，比表面積增大，有利于吸附。3.2

以金屬離子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+為研究對(duì)象，當(dāng)PDMDAAC摻雜量物質(zhì)的量比為二氧化鈦的0.2%時(shí)，室溫條件下，pH=8.5，離子強(qiáng)度取NaCl質(zhì)量濃度為10%，功能化二氧化鈦用量為10mg處理濃度為100mg/L的混合廢水，去除率達(dá)到99%以上。3.3

吸附劑對(duì)Al3+、C