铜离子在透明壳聚糖薄膜上的吸附动力学特性.doc

Adsorption kinetic character of copper ions onto a modified chitosan transparent thin membrane from aqueous solution Journal of Hazardous Materials 182 (2010) 408–415 Zihong Cheng, Xiaoshuai Liu, Mei Han, Wei Ma* China 大连理工大学 制备了一种改性的壳聚糖透明薄膜（MCTTM），由于其对水溶液中铜离子的去除能力强，被作为研究吸附动力学的吸附剂。MCTTM的形态和结构通过SEM和FTIR分析来表征。外部质量传递，颗粒内扩散，拟一级和拟二级动力学模型被用来描述这一吸附过程。研究结果表明，吸附过程可以用拟二级动力学模型来描述，这表明吸附过程是螯合离子交换的化学吸附过程，这一点通过FTIR和吸附自由能的分析得到证实。外部质量传递和颗粒内扩散过程是速率控制步骤。 Introduction 日益增长的由重金属离子引起的城市和工业废水污染是一个令人担忧的环境问题，因为它对植物、动物和人类都有毒性。与有机废物不同的是，这些无机污染物备受关注，因为它们不能生物降解，常常在生物组织内积累，高毒性从而引起各种疾病和不适，并且还有可能致癌[1, 2]。铜是一种必需的微量营养素，少量时对人体至关重要，达到高含量（超过1.3mg/L）时，据报道会引起胃肠问题，神经中毒，黄疸和肝中毒[4]。而且，在作业工人中肺癌患者的增加与连续吸入含铜喷雾有关[5]。这促使在过去的几年中为开发出治理含铜废水的新工艺而进行了大量的研究。从废水中去除重金属离子的传统技术，如化学沉淀，离子交换，电渗析，溶剂萃取，膜分离，被认为是有限的，因为其中的一些技术不能将离子浓度降低到需要的水平而常常需要高的投资和操作费用，还有一些会产生需要治理的二次污染物，如由于沉淀过程产生的大量的污泥[6, 7]。吸附是一种能从废水中有效去除重金属离子的物理化学处理过程[2]。可用的廉价吸附剂只需稍加处理，它们要么在自然界大量存在，要么是其它工业的副产物或废物[8]。 一些研究集中于用吸附膜来去除水溶液中的重金属离子。这些膜表面具有反应性功能基团，如-COOH，-SO3H，-NH2，它们能与重金属离子绑定形成表面络合物，或进行离子交换[9]。即使膜孔比金属离子的尺寸大很多，金属离子与膜表面接触后仍然能够被去除掉。由高分子壳聚糖制备的吸附剂用于生物医学和生物化学领域的分离和纯化引起广泛关注，同时在环境领域用于去除重金属离子，如去除蛋白质[4, 10]，去除染料[11, 12]，重金属离子的吸附[3, 9, 13~16]。壳聚糖是一种异聚物，有高含量的-NH2功能团和卓越的可用性。它同时含有氨基葡萄糖和乙酰氨基葡萄糖单元，由存在于昆虫表皮和甲壳纲动物的外壳中的甲壳素经过碱性脱乙酰反应得到[4, 11, 17]。但是很少有用于去除溶液中低浓度铜离子的透明壳聚糖吸附薄膜的文献报道。这项研究的前期工作是报道了一种新奇的改性壳聚糖透明薄膜能通过吸附去除低浓度的铜离子，及通过变色来检测重金属离子[18]。 这项研究的目标在于用SEM，FTIR和pHpzc（零电荷点的pH值）分析来表征改姓壳聚糖透明薄膜（MCTTM），考察MCTTM厚度的影响，动力学特性，吸附过程的阿累尼乌斯活化能，水溶液中低浓度的铜离子在MCTTM上的吸附机理。 Experimental 2.1. Reagents and instrumentations 壳聚糖脱乙酰度92.9%由青岛云宙生物科技有限公司提供。三水合硝酸铜由天津科密欧化学试剂公司提供，用于制备吸附实验中的铜离子溶液。氢氧化钠，乙酸，硝酸钠，硝酸均由中国提供，且为分析级。 一个火焰原子吸收分光光度计被用来检测铜离子含量。酸度计被用了测量溶液的pH值。制备的膜的结构和形态用SEM和FTIR来分析。 2.2. Synthesis and characterization 合成与表征 改性的壳聚糖透明薄膜（MCTTM）通过溶液浇铸法制备[18]。将1.5g的壳聚糖粉末溶于100mL2%的乙酸溶液，用磁力搅拌器搅拌。通过加热将1g的聚乙烯醇溶于30mL去离子水中，通过加热制成交联溶液。将上述两种溶液按照一定的比例混合，通过机械搅拌形成均匀的铸膜液。此后，将得到的溶液在50℃下放置48h，不搅拌，使其充分释放出空气气泡和交联。然后将溶液浇铸在有框玻璃板上，在室温下干燥。干膜被浸入稀氢氧化钠溶液以释放膜，并中和多余的酸。然后膜用去离子水彻底清洗，直至洗去全部的碱。最后，膜在室温下干燥和储存。MCTTM用SEM和FTIR来表征。 批量平衡法被用来测定零