隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展及其所產(chǎn)生的廢水 的不合理排放，河流的重金屬污染日益嚴(yán)重。重金屬進(jìn)入生物體后，由于其不能自行降解，會(huì)在生物體內(nèi)慢慢富集累積，然后通過食物鏈進(jìn)入人體，可嚴(yán)重危害人類健康及生態(tài)環(huán)境〔1, 2〕。因此，如何有效治理重金屬污染，保護(hù)人類健康和生態(tài)環(huán)境已成為人們廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。
對(duì)于水體中重金屬的處理，吸附法是一種成本低廉、高效環(huán)保的處理方法。吸附法具有吸附劑廉價(jià)易得、能耗低、不產(chǎn)生二次污染、對(duì)設(shè)備要求不高等優(yōu)點(diǎn)〔3, 4, 5〕，因此，采用吸附法處理水體中的重金屬一直是人們研究的熱點(diǎn)。
由于淀粉是一種廉價(jià)的多糖類天然高分子，本身含有活性羥基和糖苷鍵〔6〕，而二氧化硅也是廉價(jià)、無毒的無機(jī)材料〔7〕，因此研究淀粉/二氧化硅復(fù)合物的吸附性能具有重要意義。本研究以淀粉和正硅酸乙酯(TEOS)為原料，氨水為催化劑，采用溶膠-凝膠法制備了淀粉/二氧化硅微球〔8〕，并通過實(shí)驗(yàn)考察了淀粉/二氧化硅微球?qū)λ兄亟饘匐x子的吸附性能。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
土豆淀粉A(數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量為0.52×104>)、土豆淀粉B(數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量為1.22×104>)、玉米淀粉(數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量為1.36×104>),分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;正硅酸乙酯，分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;無水乙醇，純度≥99.7%,分析純，天津市化學(xué)試劑六廠廣達(dá)服務(wù)部;氨水、硝酸鉛，分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。
1.2 淀粉/二氧化硅復(fù)合微球的制備
采用溶膠-凝膠法制備淀粉/二氧化硅微球〔9〕。取1.7 g淀粉于250 mL圓底燒瓶中，加入170 mL蒸餾水，在100 ℃的環(huán)境中溶解3 h,制成質(zhì)量濃度為0.01 g/mL的淀粉溶液。取10 mL上述淀粉溶液于250 mL燒杯中，一邊攪拌一邊逐滴加入30 mL無水乙醇，然后逐滴加入1.53 mL氨水。反應(yīng)10 min后，逐滴加入0.357 g硅酸乙酯。常溫下繼續(xù)攪拌2 h,離心，用無水乙醇和蒸餾水交替洗滌3次，然后于80 ℃下干燥8～10 h,即得淀粉/二氧化硅復(fù)合微球，m(淀粉)∶m(SiO2)=1∶1。
1.3 鉛離子的吸附實(shí)驗(yàn)
稱取25 mg淀粉/二氧化硅復(fù)合微球于試管中，加入25 mL 5 mg/L的Pb(Ⅱ)溶液。將試管放在超聲波清洗器中超聲2 min,然后放入25 ℃恒溫電磁攪拌器中攪拌，并分別在第3、5、10、20、30、40、50、60、90、120、150、180分鐘時(shí)用注射器吸取2 mL液體，經(jīng)過濾器過濾后放入2 mL的離心管中，用原子吸收光譜法測(cè)定鉛離子的濃度，進(jìn)而計(jì)算淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附容量和吸附率。
2 結(jié)果與討論
2.1 不同淀粉對(duì)復(fù)合微球吸附鉛離子性能的影響
圖 1為不同淀粉制備的淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附率曲線。
圖 1 不同淀粉制備的淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附性能
由圖 1可知，在淀粉和二氧化硅質(zhì)量比一定的條件下，用不同相對(duì)分子質(zhì)量的土豆淀粉制備的淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附率均為98%,說明同種淀粉的相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)所制備的淀粉/二氧化硅復(fù)合微球的吸附性能沒有影響。這是因?yàn)樵诘矸圪|(zhì)量一定的條件下，同種淀粉所含活性基團(tuán)的數(shù)量相同，與鉛離子配位的活性點(diǎn)個(gè)數(shù)相同，所以對(duì)鉛離子的吸附率相同。而在淀粉和二氧化硅質(zhì)量比一定的條件下，淀粉的種類對(duì)所制備的淀粉/二氧化硅復(fù)合微球吸附鉛離子的性能有較大影響，玉米淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附率為90%,較之土豆淀粉/二氧化硅微球，其吸附率下降8%左右。這是因?yàn)椴煌N類的淀粉所含的活性基團(tuán)數(shù)量不同，與鉛離子配位的活性點(diǎn)個(gè)數(shù)不同，進(jìn)而吸附率不同。后續(xù)均采用土豆淀粉制備的淀粉/二氧化硅復(fù)合微球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
2.2 pH對(duì)復(fù)合微球吸附鉛離子性能的影響
因該復(fù)合材料擬應(yīng)用于海水體系，故選擇弱堿性的水體系為主要研究對(duì)象，考察了溶液pH對(duì)復(fù)合微球吸附鉛離子性能的影響，結(jié)果如圖 2所示。
圖 2 溶液pH對(duì)復(fù)合微球吸附鉛離子性能的影響
p由圖 2可知，隨著溶液pH的增加，淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附率稍有增加，當(dāng)pH>8.5時(shí)，淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附率不變，為97.72%.結(jié)果表明，在弱堿性條件下，淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子具有較好的吸附性能。
2.3 淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的等溫吸附研究
實(shí)驗(yàn)研究了不同初始鉛離子濃度下淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附容量，結(jié)果見圖 3。
圖 3 不同初始鉛離子濃度下淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附量
由圖 3可以看出，隨著初始鉛離子濃度的增大，淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附容量增大。這是因?yàn)殡S著初始鉛離子濃度的增加，吸附劑與鉛離子的碰撞幾率增大。
實(shí)驗(yàn)同時(shí)采用3種不同的等溫吸附模型即Langmuir模型、Freundlich模型及Temkin模型研究了淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附行為，相關(guān)數(shù)據(jù)如表 1所示。其中：Ce(mg/L)表示達(dá)到吸附平衡時(shí)溶液中鉛離子的質(zhì)量濃度，Qe(mg/g) 表示達(dá)到吸附平衡時(shí)每克淀粉/二氧化硅復(fù)合微球吸附鉛離子的質(zhì)量，Qmax(mg/g) 表示每克淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的最大吸附容量，KL (L/mg) 表示 Langmuir吸附平衡常數(shù)，KF和n 表示Freundlich等溫方程的特征參數(shù)，AT(L/mg)和 b表示Temkin 等溫方程的特征參數(shù)。
由表 1可知，淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附行為符合Langmuir模型和Freundlich模型，即淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附不僅存在單分子層吸附，還存在多分子層吸附。由于n<2,淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的多分子層吸附存在阻力，其對(duì)鉛離子的吸附以單分子層吸附為主〔10, 11〕。
2.4 淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附動(dòng)力學(xué)研究
取25 mL初始質(zhì)量濃度為15 mg/L 的Pb(Ⅱ)溶液，在溫度為25 ℃，pH=8.5,淀粉/二氧化硅復(fù)合微球投加量為25 mg的條件下，進(jìn)行了淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附動(dòng)力學(xué)研究。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合，結(jié)果如圖 4所示。
圖 4 淀粉/二氧化硅復(fù)合微球吸附鉛離子的擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)曲線
由圖 4可知，淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附完全符合擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，說明該吸附過程中在淀粉/二氧化硅復(fù)合微球的活性點(diǎn)上的化學(xué)反應(yīng)為吸附控制步驟。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
利用3種淀粉采用溶膠-凝膠法制備了淀粉/二氧化硅復(fù)合微球，并通過實(shí)驗(yàn)研究了淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附性能，得出的結(jié)論如下：
(1)淀粉的種類對(duì)制備的淀粉/二氧化硅復(fù)合微球吸附鉛離子性能有較大影響，與玉米淀粉相比，利用土豆淀粉制備的淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子有較好的吸附性能;同種淀粉的相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)所制備的淀粉/二氧化硅復(fù)合微球的吸附性能沒有影響。
(2)在弱堿性條件下，淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子具有較好的吸附效果。
(3)淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附行為符合Langmuir模型和Freundlich模型，即淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附不僅存在單分子層吸附，還存在多分子層吸附，但以單分子層吸附為主。
(4)淀粉/二氧化硅復(fù)合微球?qū)︺U離子的吸附完全符合擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，即在淀粉/二氧化硅復(fù)合微球的活性點(diǎn)上的化學(xué)反應(yīng)為吸附控制步驟。
