Fe3O4-NSO-EDTA磁性复合材料的制备及其选择性吸附Cu(Ⅱ)的研究

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含铜废水排放源涉及多个行业且年排放量巨大,对生态环境构成了极大的潜在威胁。含铜废水成分复杂多变,应用传统吸附材料进行处理的去除效果将严重下降。此外,传统吸附材料在完成吸附操作后还面临费时耗能的固液分离问题,极大地增加了运行成本。面对越加严格的排放标准,开发可实现低能耗高效去除废水中铜污染源的吸附材料具有重要意义。本文利用N-(三甲氧基硅丙基)乙二胺三乙酸钠(TMS-EDTA)对Fe3O4-NSO磁性复合材料表面进行功能化,制备得到同时具备高Cu(II)选择性和可磁性分离的Fe3O4-NSO-EDTA新型吸附材料。并通过XPS、XRD、FT-IR、TGA、SEM、TEM、BET、VSM、CHN元素分析和Zeta电位测试等技术对Fe3O4-NSO-EDTA进行了表征分析。同时探究了Fe3O4-NSO-EDTA对Cu(II)、Zn(II)、Cd(II)的去除效果,重点研究了Fe3O4-NSO-EDTA在混合溶液体系中选择性吸附Cu(II)的性能,并结合混合动力学实验阐明了Fe3O4-NSO-EDTA选择性吸附Cu(II)的机理。所得结论如下:(1)TMS-EDTA水解后分子间发生了缩聚反应,生成的聚合物再与Fe3O4-NSO表面羟基脱水缩合形成Si-O-Fe或Si-O键而接枝至Fe3O4-NSO表面,覆盖在Fe3O4-NSO表面的TMS-EDTA含量为10.53%。制得的Fe3O4-NSO-EDTA为超顺磁性纳米颗粒,饱和磁强度为39.7 emu/g,在磁铁作用下固液分离过程耗时不超过60 s。(2)Fe3O4-NSO-EDTA表面的TMS-EDTA聚合层能有效提高材料的选择性。与Fe3O4-NSO相比,Fe3O4-NSO-EDTA在Cu(II)/Cd(II)和Cu(II)/Zn(II)混合体系中选择性吸附Cu(II)的性能分别增强了2.8和2.1倍。金属离子与EDTA生成络合物稳定常数log K值大小和金属离子半径大小会影响Fe3O4-NSO-EDTA对Cu(II)的选择性。(3)Fe3O4-NSO-EDTA在Cu(II)/Cd(II)混合体系中选择性吸附Cu(II)的机理可表述为:Cu(II)经络合反应迅速占据Fe3O4-NSO-EDTA表面活性吸附位点,并产生位阻抑制Cd(II)与Fe3O4-NSO-EDTA接触。表层EDTA基团吸附Cu(II)饱和后,游离的Cu(II)可穿过TMS-EDTA聚合层被表面羟基所吸附。Cd(II)在与Fe3O4-NSO-EDTA接触的初始阶段能与表面EDTA基团络合而被吸附,但最终将被游离的Cu(II)置换并释放回溶液中。
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