乙基纤维素磁性复合材料对溶液中铜离子的吸附性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210269

摘要/Abstract

摘要：

重金属离子对生态环境以及人类健康造成了严重的危害，因此处理水体中的重金属离子迫在眉睫。采用共沉淀法，以乙基纤维素为模版，将四氧化三铁（Fe₃O₄）纳米颗粒与乙基纤维素复合，制备了乙基纤维素磁性复合材料（EC/Fe₃O₄）。探究了吸附添加量、溶液pH值和吸附时间等因素对溶液中Cu（Ⅱ）吸附过程的影响。结果表明，EC/Fe₃O₄表现出良好的吸附速率和吸附性能。吸附4 min，可达到吸附平衡状态。在Cu（Ⅱ）浓度为20 mg/L，pH=7，吸附时间为160 min条件下，EC/Fe₃O₄的单位吸附量q_e为76.98 mg/g，最大去除率为94.68%。在经过8次吸附循环后，单位吸附量为62.21 mg/g。

关键词: 重金属离子, 磁性复合材料, 吸附, 乙基纤维素

Abstract:

Heavy metal ions have caused serious harm to the ecological environment and human health. It is urgent to treat heavy metal ions in water. In this paper， a co-precipitation method was used to prepare ethyl cellulose magnetic composite material （EC/Fe₃O₄） by using ethyl cellulose as a template to compound Fe₃O₄ nanoparticles with ethyl cellulose. The influence of the adsorption dosage， pH value of the solution， adsorption time and other factors on the adsorption process of Cu（II） in the solution was explored. The results show that EC/Fe₃O₄ exhibits good adsorption rate and adsorption performance. The adsorption equilibrium can be reached within 4 min. Under the adsorption conditions of Cu（II） concentration of 20 mg/L，solution pH of 7，and adsorption time of 160 min，the unit adsorption q_e of EC/Fe₃O₄ is 76.98 mg/g， and the maximum removal rate is 94.68%. After 8 adsorption cycles， the unit adsorption capacity is 62.21 mg/g.

Key words: Heavy metal ions, Magnetic composite materials, Adsorption, Ethyl cellulose

中图分类号:

O652.6

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图/表 13

表1 标准Cu（Ⅱ）曲线测定溶液配比表

Table 1 Standard Cu（Ⅱ） solutions

样品 Sample	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
ρ（Cu（Ⅱ））/（mg·L^-1）	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20
V（Cu（Ⅱ））/mL	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
V（H₂O）/mL	0.9	0.8	0.7	0.6	0.5	0.4	0.3	0.2	0.1	0
V（DDTC）/mL	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2

图1 不同浓度铜离子溶液的光谱曲线（A）和铜离子标准曲线（B）

Fig.1 Spectral curves （A） and standard copper ion curve （B） of copper ion solutions with different concentrations

图 2 EC、Fe3O4以及吸附前后EC/Fe3O4的FT-IR谱图（A）；EC、Fe3O4和EC/Fe3O4的TG图（B）；Fe3O4和EC/Fe3O4的VSM图（C）以及EC/Fe3O4的N2吸附-解吸等温线和BJH孔径分布图（D）

Fig.2 FT-IR spectra of EC，Fe3O4 and EC/Fe3O4 before and after adsorption （A）；TG diagrams of EC，Fe3O4 and EC/Fe3O4 （B）；VSM diagrams of Fe3O4 and EC/Fe3O4 （C）；EC/Fe3O4 N2 adsorption-desorption isotherm and BJH pore size distribution map （D）

图3 不同放大倍数下Fe3O4（A，B）、 EC（C，D）和EC/Fe3O4（E，F）的SEM图

Fig.3 SEM images of Fe3O4（A，B）， EC（C，D） and EC/Fe3O4（E，F） under different magnifications

图4 添加量对EC/Fe3O4的单位吸附量和去除率的影响

Fig.4 The influence of dosage on the unit adsorption capacity and removal rate of EC/Fe3O4

图5 溶液pH值对EC/Fe3O4单位吸附量的影响

Fig.5 The effect of solution pH on the unit adsorption capacity of EC/Fe3O4

图6 EC、Fe3O4和EC/Fe3O4不同吸附剂对Cu（Ⅱ）单位吸附量的影响

Fig.6 The influence of different adsorbents of EC， Fe3O4 and EC/Fe3O4 on the unit adsorption capacity of Cu（Ⅱ）

图7 （A）准一阶动力学模型线性拟合曲线；（B）准二阶动力学模型线性拟合曲线

Fig.7 （A） The linear fitting curve of the quasi-first-order kinetic model；（B） The linear fitting curve of the quasi-second-order kinetic model

表2 动力学模型方程以及相关参数

Table 2 Kinetic model equations and related parameters

动力学模型

Kinetic model

方程

Formula

q_e

R²

准一阶动力学

Quasi?first?order dynamics model

l n ? q e - q t = - k 1 t + l n ? q e

准二阶动力学

Quasi?second?order dynamics model

$t q t = 1 k 2 q e 2 + 1 q e t$

$h = k 2 × q e 2$

表2 动力学模型方程以及相关参数

Table 2 Kinetic model equations and related parameters

动力学模型

Kinetic model

方程

Formula

q_e

R²

准一阶动力学

Quasi?first?order dynamics model

l n ? q e - q t = - k 1 t + l n ? q e

0.0303

7.6118

0.8575

—

准二阶动力学

Quasi?second?order dynamics model

$t q t = 1 k 2 q e 2 + 1 q e t$

$h = k 2 × q e 2$

0.0297

65.350

0.9999

125.00

图8 （A）Langmuir模型拟合曲线；（B）Freundlich模型拟合曲线；（C）Temkin模型拟合曲线；（D）Dubinin-Radushkevich模型拟合曲线

Fig.8 （A） Langmuir model fitting curve；（B） Freundlich model fitting curve；（C） Temkin model fitting curve；（D） Dubinin-Radushkevich model fitting curve

表3 等温线模型方程以及相关参数

Table 3 Isotherm model equations and related parameters

等温线模型 Isotherm model	方程 Formula	参数 Parameter	数值 Value
Langmuir	$ρ e q e = 1 q m a x × ρ e + 1 K L × q m a x$ $R L = 1 1 + K L × ρ 0$	q_max	108.70
		K_L	0.355 2
		R_L	0.123 4
		R²	0.994 3
Freundlich	$l n ? q e = 1 n × l n ? ρ e + l n ? K F$	n	2.925 7
		K_F	1.406 5
		R²	0.762 2
Temkin	$q e = R T b T l n ? k T + R T b T l n ? ρ e$	b_T	129.19
		k_T	6.050
		R²	0.831 7
Dubinin?Radushkevich	$l n ? q e = l n ? q m a x - β ε 2$ $ε = R T l n ? 1 + 1 ρ e$ $E = 1 2 β$	q_max	97.553
		E	912.87
		R²	0.923 2

表3 等温线模型方程以及相关参数

Table 3 Isotherm model equations and related parameters

等温线模型 Isotherm model	方程 Formula	参数 Parameter	数值 Value
Langmuir	$ρ e q e = 1 q m a x × ρ e + 1 K L × q m a x$ $R L = 1 1 + K L × ρ 0$	q_max	108.70
		K_L	0.355 2
		R_L	0.123 4
		R²	0.994 3
Freundlich	$l n ? q e = 1 n × l n ? ρ e + l n ? K F$	n	2.925 7
		K_F	1.406 5
		R²	0.762 2
Temkin	$q e = R T b T l n ? k T + R T b T l n ? ρ e$	b_T	129.19
		k_T	6.050
		R²	0.831 7
Dubinin?Radushkevich	$l n ? q e = l n ? q m a x - β ε 2$ $ε = R T l n ? 1 + 1 ρ e$ $E = 1 2 β$	q_max	97.553
		E	912.87
		R²	0.923 2

图9 循环次数对EC/Fe3O4单位吸附量的影响

Fig.9 The influence of cycle times on the unit adsorption capacity of EC/Fe3O4

表4 类似吸附剂的可再生性能对比

Table 4 Comparison of the renewable performance of similar adsorbents

序号 No.	吸附剂 Adsorbents	吸附条件 Condition	可再生性能 Reusable performance	参考文献 Ref.
1	DTPA?壳聚糖 DTPA?Chitosan	pH=3，25 ℃	经过6个循环后，去除率从42.38%降低至24.23% After 6 cycles，the removal rate decreased from 42.38% to 24.23%	［21］
2	Fe₃O₄@SO₃Na	pH=5，25 ℃	经过2个循环后，吸附量从16.13降低至14.54 mg/g After 2 cycles，the adsorption capacity decreased from 16.13 to 14.54 mg/g	［22］
3	磁性氧化石墨烯 Magnetic graphene oxide	pH=6，20 ℃	经过5个循环后，吸附容量减少16.25% After 5 cycles，the adsorption capacity is reduced by 16.25%	［23］
4	PEI改性磁性膨润土 PEI/KH560/MBent	pH=5，20 ℃	经过5个循环后，吸附量为首次吸附量的60% After 5 cycles，the adsorption capacity is 60% of the first adsorption capacity	［24］

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