強酸性陽離子交換纖維對鎘離子的吸附研究

崔國士 高俊娜 束興娟 袁夢珍 張蕊蕊

摘 要：本文采用河南科高輻射化工科技有限公司提供的強酸性陽離子交換纖維對鎘離子進行吸附性能研究。通過研究可以得出以下結論：強酸性離子交換纖維對重金屬鎘離子有良好的吸附性，最大吸附率為127.5mg/g；已吸附重金屬的離子交換纖維能用 0.1mol/L的硝酸進行解析，纖維能進行二次利用，而且解析后纖維的吸附能力變化不大。

關鍵詞：陽離子交換纖維；鎘離子；吸附能力

中圖分類號：TQ425；O647.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）16-0133-03

Study of the Adsorption of Cadmium on Strong Acid Cation Exchange Fibers

CUI Guoshi1，2 GAO Junna1，2 SHU Xingjuan1，2 YUAN Mengzhen1，2 ZHANG Ruirui1，2

Abstract： This paper used the strong acid cation exchange fiber provided by Henan Kegao Radiation Chemical Technology Co. Ltd. to study the adsorption properties of cadmium ions. The following conclusions could be drawn from the study： strong acidic ion exchange fiber had good absorption of heavy metal cadmium ions.The maximum adsorption rate was 127.5mg/g， and the ion exchange fibers that have adsorbed heavy metals could be analyzed with 0.1mol/L nitric acid， and the fiber could be used for two times， and the adsorption capacity of the fiber was little changed.

Keywords： cation Exchange fiber；cadmium ions；adsorption capacity

1 研究背景

離子交換纖維是繼離子交換樹脂之后一個新型的離子交換材料，其可以以各種纖維如聚烯烴、聚丙烯腈纖維[1]、聚乙烯醇纖維[2]、聚苯硫醚纖維[3]以及聚氯乙烯等纖維原料，通過濕法或者干法形式制成無紡布，或對其進一步改性。由于其具有比表面大、吸附與解析速度快、價格低廉等優勢，因此可以用于氣體凈化、污水處理[4]、重金屬分離[5]和生物化工[6-10]等多方面。本文以河南科高輻射化工科技有限公司研制的一種強酸性陽離子交換纖維進行鎘離子吸附實驗。該離子交換纖維中含有大量的極性基團羧基，增強了纖維的親水性，為吸附重金屬提供可能。實驗結果顯示，該材料對鎘離子吸附能力較強，吸附速率快，可以再生，是一種比較理想的離子交換材料。

2 實驗部分

2.1 實驗原料與試劑

強酸性陽離子交換纖維：河南科高輻射化工科技有限公司提供。其他試劑均為市售，分析純。

2.2 實驗儀器

756MC紫外可見分光光度計，上海高致精密儀器有限公司；酸度計：上海先農儀器儀表有限公司；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱；FA2004電子天平，上海上平儀器有限公司。

2.3 分析方法

利用紫外光譜儀測定溶液中鎘離子的初始濃度及吸附一定時間后的濃度。

2.4 強酸性陽離子交換纖維對鎘離子吸附容量的測定

準確稱取強酸性陽離子交換纖維0.1g（精確到0.000 1g），放于250mL錐形瓶中，20℃下加入200mg/L的硝酸鎘溶液150mL，24h后測定溶液中鎘離子濃度，纖維吸附率Qe按式（1）計算：

Qe=V[C0-Ce/W] （1）

式（1）中，Qe表示纖維吸附率（mg/g）；V表示溶液體積（L）；[C0]表示鎘離子初始時的濃度（mg/L）；[Ce]表示鎘離子平衡時的濃度（mg/L）；W表示離子交換纖維量（g）。

2.5 吸附動力學的測定

準確稱取10份強酸性陽離子交換纖維各0.1g，置于250ml錐形瓶中，加入200mg/L的硝酸鎘溶液150ml，20℃下震蕩吸附，分別在0、1、2、4、6、9、12、17、23min和30min時，測定溶液中鎘離子濃度，計算纖維吸附率Qt：

Qt=V[C0-Ct/W] （2）

式（2）中，Qt表示t時刻纖維吸附率（mg/g）；[Ct]表示t時刻鎘離子濃度（mg/L）。

2.6 溫度對離子交換纖維吸附率的影響

準確稱取0.1g干燥陽離子交換纖維7份，分別放入200mg/L，150mL的鎘離子溶液中，10、20、30、40、50、60℃和70℃下，30min后，分別測定離子交換溶液中鎘離子濃度，同時計算陽離子交換纖維的吸附率。

2.7 重金屬離子解析

為了將重金屬及離子交換纖維回收，需對已吸附的離子交換纖維進行解析，把重金屬離子解析下來。常用的方法即降低溶液的pH值，增強溶液酸度，或加入強配位體。本研究采用0.1mol/L的HNO3溶液對吸附重金屬后的離子交換纖維進行洗脫，然后再對該離子交換纖維動力學性能進行研究。

3 結果與討論

3.1 離子交換纖維的吸附率

離子交換纖維的吸附率是一個重要指數，其影響纖維的投放量及對溶液中重金屬的吸附效率。離子交換纖維的吸附率越大，纖維吸附重金屬的量就越多，交換纖維的投放量就越少，對溶液中重金屬的吸附率就越大，離子交換纖維的效率就越高。本研究中，離子交換纖維在吸附24h后，溶液重金屬離子濃度測定為115mg/L。根據離子交換纖維吸附率計算公式得出該強酸性陽離子交換纖維的吸附率為127.5mg/g。

3.2 吸附動力學

確定吸附平衡所需時間，研究吸附動力學對離子交換纖維實際應用有重要指導意義。吸附平衡所需時間越短，說明纖維吸附速率越高，離子交換纖維在應用中的效率也越高。本實驗結果如圖1所示。由圖1可以看出，該強酸性離子交換纖維在20min內即達到吸附平衡，這與該纖維的親水性好有關，親水性越好，越有利于重金屬離子在纖維內的擴散。

3.3 溫度對纖維吸附率的影響

升溫有利于離子擴散。同樣在離子交換吸附實驗中，升溫有利于重金屬離子擴散到交換纖維內部，提高離子交換速率。本升溫實驗顯示，溫度越高，吸附平衡所需時間越短（見圖2）。溫度的影響在實際應用中考慮經濟成本，所以最佳吸附溫度為20～40℃。

3.3 重金屬離子的解析

為了使離子交換纖維二次利用，必須對所吸附的金屬離子進行解析。陽離子交換纖維一般采用鹽酸、硫酸等酸性相對較強的無機酸或者較強的配位體浸泡交換纖維來對金屬離子進行解析。本實驗采用0.1mol/L硝酸進行解析。解析后的離子交換纖維二次利用性能變化不大（見圖3）。

4 結論

①強酸性離子交換纖維對重金屬鎘離子有良好的吸附性，最大吸附率為127.5mg/g。

②由于離子交換纖維含有大量磺酸基，與水的極性相似，擴散速率高，纖維達到吸附平衡時間短。

③升溫加快了離子游動，有利于纖維迅速達到吸附平衡。

④已吸附重金屬的離子交換纖維能用0.1mol/L的硝酸進行解析，纖維能進行二次利用，而且解析后纖維的吸附能力變化不大。

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