共存污染物对巯基功能化离子印迹聚合物吸附Cd2+的影响研究

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作为典型环境污染物,重金属的有效处理一直是环境科学界及社会各界关注的重难点。随着社会生产生活的发展,越来越多的无机和有机污染物进入环境,使得环境中的污染逐渐呈现出复合污染的趋势。多种污染物之间存在的复杂交互作用,使得复合污染系统污染物的环境化学行为及其生态效应变得越来越复杂。而关于复合污染对重金属吸附行为及其影响机制方面缺乏系统、深入研究。基于此,本研究以典型重金属Cd2+为目标污染物,以表面印迹法合成的巯基功能化离子印迹聚合物为吸附剂,研究了环境大分子有机物、重金属、低分子量有机酸等共存污染物对Cd2+在巯基功能化离子印迹聚合物上吸附行为的影响及其作用规律,阐明Cd2+、共存污染物及吸附剂三者之间的相互作用机理,以期为复合污染系统中重金属的吸附去除提供科学指导。(1)以硅胶为基体材料,Cd2+为模板剂,3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTS)为功能单体,环氧氯丙烷为交联剂,采用表面印迹法合成了巯基功能化离子印迹聚合物IIPMPTS/SiO2,利用扫描电镜、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱等分析方法对其进行了表征,结果表明在活化硅胶表面实施Cd2+印迹后,材料表面变得蓬松粗糙,形成了多孔聚合物层;巯基被成功地接枝在硅胶表面。(2)腐殖酸(HA)与Cd2+相互作用的紫外吸收光谱表明,基于Cd2+浓度的HA分子聚合增强作用,增大了分子体系的共轭程度,使紫外光谱吸收峰红移;溶液离子强度的增大也促进紫外光谱吸收带的红移和吸收强度的增大。吸附实验表明,HA及Cd2+单独在IIP-MPTS/SiO2上的吸附容量随溶液pH值(2.008.00)的升高分别表现出逐渐下降及上升趋势;共存HA对Cd2+在IIP-MPTS/SiO2上的吸附具有增效作用,但降低了吸附反应速率;吸附行为符合拟二级动力学模型,吸附等温线可以用Langmuir模型描述;吸附过程为自发吸热反应,HA的存在增大了吸附反应的自发程度,吸附能垒降低。结合FT-IR及XPS分析结果,推断共存HA促进Cd2+吸附的原因是,HA作为配位体桥梁而形成IIP-MPTS/SiO2-HA-Cd2+稳定的三元配位化合物,通过富集而促进Cd2+的吸附。(3)共存重金属离子对Cd2+在IIP-MPTS/SiO2上的吸附表现出不同程度的竞争作用。在单元及二元溶液系统中,共存重金属离子对Cd2+的吸附竞争作用大小顺序为Cu2+>Zn2+>Ni2+;而在三元及四元溶液系统中,竞争吸附顺序为Zn2+>Cu2+>Ni2+。在多元溶液系统中IIP-MPTS/SiO2对Cd2+均表现出较强的吸附选择性。在二元溶液系统Cd2+/Cu2+、Cd2+/Ni2+及Cd2+/Zn2+中,IIP-MPTS/SiO2对Cd2+的吸附选择性系数分别为3.739、5.734、4.153。在多元溶液系统中,共存重金属离子对Cd2+的吸附影响较小,这主要归因于IIP-MPTS/SiO2在配位几何等方面对Cd2+的强选择性。(4)柠檬酸、酒石酸及草酸在IIP-MPTS/SiO2上的吸附等温线均符合Freundlich等温吸附模型,表明吸附特性均为多层非均相吸附;在相同平衡浓度下,IIP-MPTS/SiO2对3种低分子量有机酸的亲和力大小顺序为草酸>酒石酸>柠檬酸。当有机酸浓度较低时,柠檬酸和酒石酸均能小幅促进IIP-MPTS/SiO2对Cd2+的吸附,促进作用大小为柠檬酸>酒石酸;当有机酸浓度超过一定值时,柠檬酸和酒石酸均抑制Cd2+的吸附,且随有机酸浓度的增大,这种抑制作用逐渐增强;在实验浓度范围内,共存草酸均抑制Cd2+的吸附。3种低分子量有机酸对Cd2+的吸附抑制作用大小为草酸>酒石酸>柠檬酸。结合有机酸分子结构特性及其与Cd2+的累积络合稳定常数,推测共存有机酸对Cd2+吸附的影响主要是有机酸、Cd2+及IIP-MPTS/SiO2三元复合体系之间桥键(络)合效应、静电效应以及竞争效应等综合作用的结果。
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