SH—MCM—48的制備與吸附水中重金屬離子的研究

隨著現代工業的迅猛發展，重金屬離子對于水質、土壤等的污染也越來越嚴重。重金屬離子在水體中積累到一定的限度就會對水體-水生植物-水生動物系統產生嚴重危害，并可能通過食物鏈直接或間接地影響到人類的生產和生活，最典型的例證有：日本由于汞污染引發的“水俁病”和由鎘污染造成的“骨痛病”。因此可以說，水體重金屬污染已經成為當今世界最嚴重的環境問題之一。目前，常用來處理水中重金屬離子的方法通常有電解法、化學沉淀法、離子交換法、植物修復法及吸附法等等。吸附法作為一種重要的處理水中重金屬離子的方法，愈來愈受到人們的關注。

吸附法是除去水體中低濃度重金屬離子的有效方法，目前常用的吸附劑仍主要是活性炭，但其吸附容量較低，無選擇性并且再生困難。介孔材料作為一種新的有效吸附劑是科學研究的一個重要方向。為了提高其吸附能力，人們通常利用具有功能基團的化合物，如3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）或2-巰基噻唑啉等改性MCM-41或SBA-15的內表面，以期提供可以與金屬離子形成配合物的官能團。最近，在研究中發現，在相同條件下，改性SBA-15對硼離子吸附性能是改性MCM-41的2倍，他們認為這是由于所制備的SBA-15具有更大的孔徑（約7nm），可以為下一步的改性提供很大的空間。Feng等人利用特殊的硅烷類改性劑與介孔二氧化硅共價鍵合，形成的交聯單分子層緊密堆積于介孔內表面，系統地改變功能基的數量，得到了表面覆蓋率為10%～76%的FMMS。FMMS對汞和一些重金屬如銀、鉛等有很強的親合力，可以從水溶液選擇性的去除這些重金屬離子。用巰基表面覆蓋率為10%～25%的FMMS處理后的水體，汞含量低于美國環保署（EPA）制定的有毒物質指標，甚至低于飲用水標準，銀離子含量可降至檢測限以下，去除鉛離子也有類似效果。背景離子（如Na+，Ba2+，Zn2+）的存在對其無明顯影響，且用濃鹽酸再生后可循環使用。徐應明等[3]在MCM-41表面嫁接3-巰基丙基三甲氧基硅烷，它對水中的Hg2+、Pb2+具有優良的吸附能力。焦華利用修飾后的功能化MCM-41納米介孔材料1，2，5，6研究了其對金屬離子Fe（Ⅲ），Ni（Ⅱ），Cu（Ⅱ），Zn（Ⅱ），Cd（Ⅱ）的吸附，Cu與其他金屬離子的二元溶液吸附研究表明，最佳分離系數達到150以上，最小也在數倍以上，可見這些吸附劑在一定程度上能作為Cu與其他金屬的分離材料。

取一定濃度的金屬離子溶液于錐形瓶中，再加入去離子水，然后加入0.05000 g SH-MCM-48介孔材料，25℃下恒溫振蕩吸附2h，離心分離后取上層清液檢測，實驗得到的吸附等溫線如圖1和圖2所示。

圖1 Pb2+和Cd2+的等溫吸附曲線圖

圖2 Cu2+和Ni2+的等溫吸附曲線圖

由圖1和圖2可以看出，SH-MCM-48介孔分子篩對Pb2+，Cd2+，Cu2+和Ni2+的飽和吸附量分別為263.2 mg·g-1、133.3 mg·g-1、108.7 mg·g-1、62.50 mg·g-1。從中可以看出SH-MCM-48對Pb2+的吸附能力最強。

在恒溫條件下，溶液中固體表面發生的吸附現象常用Langmuir方程來描述，Langmuir方程為：

（1-2）

注：為平衡濃度（mg·l-1）；b為常數；q為飽和吸附量（mg·g-1）。

按Langmuir等溫吸附式進行擬合，擬合結果如圖3和圖4所示。

由圖5和圖6可看出，曲線所呈現的趨勢基本相同，前5min平衡濃度變化很明顯，以后曲線變得比較平坦，說明SH-MCM-48介孔分子篩對金屬離子的吸附幾乎都集中前面一段時間并且反應很迅速。

SH-MCM-48介孔分子篩對金屬離子（Pb2+，Cd2+，Cu2+和Ni2+）有較強的吸附能力，在25℃時，飽和吸附量分別達到263.2 mg·g-1、133.3 mg·g-1、108.7 mg·g-1、62.50 mg·g-1，與文獻報道的同類材料相比，其吸附效果更好。通過對Langmuir等溫吸附方程和二級動力學方程的分析，均有比較好的線性關系。因此，SH-MCM-48介孔分子篩可用來處理水體重金屬污染，尤其對Pb2+污染的處理效果明顯。

參考文獻：

X.Feng，G.E.Fryxell，L.Q.Wang，A.Y.Kim，J.Liu，K.M.Kemner.Functionalized Monola- yers on Ordered Mesoporous Supports[J].Science，1997，276（5314）：923-926.

徐應明，李軍幸，戴小華.介孔分子篩表面功能膜的制備及對水中鉛汞鎘的去除作用[J].應用化學，2002，19（10）： 941-945.

焦華.MCM-41型介孔分子篩的表面修飾及其吸附性能研究[D].西北大學，2007，24（1）：44-52

作者簡介：孫燕（1987.07-），女，漢族，浙江省寧波市人，浙江省寧波市東海艦隊子女學校生化組，中教二級，大學本科，研究方向：主要從事中學化學教育教學。