曹世權(quán),王遠(yuǎn)曦,鄭常義,戴學(xué)志,田 強(qiáng),晏敏皓,3
(1. 西南科技大學(xué) 環(huán)境友好能源材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽 621010; 2. 西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 綿陽 621010; 3. 四川長晏科技有限公司,四川 綿陽,621000)
隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展,工業(yè)污染物排放量及種類日益增加,尤其是以Pb(Ⅱ)等為代表的重金屬污染,對人類健康及生態(tài)環(huán)境造成了極大危害,采用新型環(huán)境修復(fù)材料和技術(shù)實(shí)現(xiàn)對重金屬等工業(yè)污染的高效治理是目前亟需解決的環(huán)境問題之一[1]。
最近,因超順磁γ-Fe2O3納米材料具有高比表面積、良好吸附性能、高穩(wěn)定性、易通過磁分離實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用等優(yōu)點(diǎn),其在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域特別是在重金屬去除中的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)[2-3]。通常采用表面接枝有機(jī)物的方法來提高超順磁γ-Fe2O3納米材料在水環(huán)境中的穩(wěn)定性,并利用有機(jī)物中的特殊官能團(tuán)與金屬離子的相互作用實(shí)現(xiàn)對污水中重金屬離子的吸附脫除。如含-NH2的有機(jī)物對 Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)等以及含-COOH 的有機(jī)物對 Cu(Ⅱ)、Zn(II)等分別具有良好的吸附性能[4]。天然高分子殼聚糖(Chitosan, CTS)作為代表性環(huán)境修復(fù)材料,對重金屬Pb(Ⅱ)具有優(yōu)異的吸附性能且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,其應(yīng)用的局限性在于與重金屬相互作用后難以實(shí)現(xiàn)固液分離及循環(huán)利用[5]。通過將殼聚糖交聯(lián)包覆在超順磁性納米顆粒表面,可實(shí)現(xiàn)對Cr(VI)等的良好吸附及吸附材料的磁分離循環(huán)再利用[6]。已報(bào)道的超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合材料通常采用交聯(lián)改性法制備,工藝較繁瑣,制備過程中通常需使用聯(lián)胺等有毒交聯(lián)劑,易造成二次污染[7-8]。因此,評價(jià)超順磁納米復(fù)合材料作為環(huán)境修復(fù)材料的優(yōu)劣時(shí),需兼顧其吸附性能、制備方法及所帶來的二次污染問題。
透射電鏡、掃描電鏡等電子顯微技術(shù)是表征納米材料結(jié)構(gòu)的通用手段,可用于測量可視化顆粒的結(jié)構(gòu)和定量顆粒的尺寸分布,但這類測試技術(shù)要求將樣品進(jìn)行干燥處理。對于液態(tài)膠體樣品,干燥過程易受外界的物理作用而改變聚集結(jié)構(gòu),無法獲得膠體在液相中的尺寸及結(jié)構(gòu)信息。動(dòng)態(tài)光散射(dynamic light scattering,DLS)、小角 X 射線散射(small-angle X-ray scattering, SAXS)等光散射技術(shù)可對液態(tài)膠體進(jìn)行原位測試,能有效獲取膠體在液相環(huán)境中的真實(shí)信息,測量數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性和統(tǒng)計(jì)性[9]。至今,光散射技術(shù)用于表征膠體材料與重金屬離子相互作用的研究報(bào)道較少[10]。
針對用于重金屬去除研究的改性超順磁納米復(fù)合材料的制備方法及原位表征手段的不足,本文利用天然有機(jī)高分子殼聚糖(低分子量)對γ-Fe2O3超順磁性納米顆粒進(jìn)行改性,制備得到軟團(tuán)聚的膠體,利用動(dòng)態(tài)光散射、小角X射線散射技術(shù)對膠體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原位表征,并研究了該膠體對重金屬Pb(Ⅱ)的吸附性能。
FeCl2·4H2O、FeCl3·H2O 購于天津大茂化學(xué)試劑有限公司,氨水、HNO3、Fe(NO3)3·9H2O、37% 濃鹽酸、冰醋酸、丙酮、低分子量殼聚糖購于成都科隆試劑廠,所有試劑均為分析純。重金屬樣品由國家有色金屬及電子材料分析中心提供;實(shí)驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室自制超純水(電阻率18.24 MΩ/cm,四川優(yōu)普超純水儀)。
采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(BKT-4500,北京澤天偉業(yè)科技有限公司)測試樣品的磁學(xué)性質(zhì);采用小角X射線散射儀(SAXSpace,奧地利安東帕公司)和動(dòng)態(tài)光散射儀 (Nanobrook Elite Sizer Omni,美國布魯克海文儀器公司,光源為640 nm的半導(dǎo)體紅光激光器)測試樣品的流體力學(xué)直徑;采用恒溫振蕩器(SHZ-82A,常州江南實(shí)驗(yàn)儀器廠)及電感耦合等離子體光譜儀(ICP-6300,美國熱電公司)研究復(fù)合膠體體系對Pb(Ⅱ)的吸附性能。
1.2.1 γ-Fe2O3超順磁納米顆粒的制備
采用共沉淀法制備γ-Fe2O3超順磁納米顆粒,其制備過程如圖1所示[11]。將10 mL 37%鹽酸加入50 mL超純水中稀釋制備鹽酸稀溶液,稱取18.0 g FeCl2·4H2O加入鹽酸稀溶液溶解。稱取 19.3 g FeCl3·6H2O 加入 70 mL 超純水溶解,將 FeCl3·6H2O水溶液加入FeCl2·4H2O鹽酸稀溶液中,25℃條件下攪拌反應(yīng)30 min。反應(yīng)結(jié)束后用超純水反復(fù)洗滌,用外磁場分離出磁性Fe3O4。再向上述Fe3O4中加入 36 mL 濃硝酸和 32.0 g Fe(NO3)3·9H2O,在80 ℃ 水浴反應(yīng) 60 min,將 Fe3O4進(jìn)一步氧化得到 γ-Fe2O3分散液。通過沉淀分散法在外磁場中梯度分層得到分散性小、尺寸均一的納米顆粒膠體。最后用丙酮洗滌膠體中殘余硝酸,40 ℃水浴恒溫12 h使丙酮完全揮發(fā),用20%的稀硝酸調(diào)節(jié)pH為2后置于冰箱備用。
圖1 γ-Fe2O3超順磁納米顆粒的制備過程示意圖
1.2.2 γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體的制備
稱取0.5 g殼聚糖溶于500 mL超純水中,調(diào)節(jié)pH為2.5使殼聚糖充分溶解,量取50 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的γ-Fe2O3分散液,將γ-Fe2O3分散液滴加到殼聚糖水溶液中,25℃條件下攪拌反應(yīng)3 h。調(diào)節(jié)體系pH至6.0,外磁場分離除去未被纏繞的殼聚糖。加入超純水并調(diào)節(jié)pH至2.5,制備得到準(zhǔn)團(tuán)聚的膠體。按照上述方法,令超順磁納米顆粒的濃度為1%,調(diào)整殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%,0.1%,0.2%,0.3%,分別制備得到 005CTS-NPs,01CTS-NPs,02CTSNPs,03CTS-NPs不同配比的準(zhǔn)團(tuán)聚膠體備用。
1.2.3 γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體對Pb(Ⅱ)的吸附性能考察
取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的CTS-NPs復(fù)合膠體10 mL置于 50 mL 離心管中,加入 100 mg/L 的 Pb(Ⅱ)標(biāo)準(zhǔn)溶液10 mL,將離心管置于恒溫振蕩器上以200 r/min的速度震蕩120 min后。取出用外磁場進(jìn)行磁分離,取上層清液通過電感耦合等離子體光譜儀測定復(fù)合膠體吸附后溶液中Pb(Ⅱ)的含量,并通過式(1)計(jì)算吸附平衡常數(shù),評價(jià)膠體對Pb(Ⅱ)的吸附性能。
式中:Kd——吸附平衡常數(shù),mL/g;
C0、Ct——溶液中重金屬的初始濃度和達(dá)到吸附平衡時(shí)的濃度,mg/L;
V——吸附體系的體積,mL;
m——吸附劑的質(zhì)量,g。
按照此實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行單因素吸附實(shí)驗(yàn),具體如下:1)在室溫下,分別調(diào)節(jié)體系pH為2~7,振蕩12 h使其達(dá)到吸附平衡,外磁場作用3 h后測上清液剩余Pb(Ⅱ)含量,計(jì)算不同pH條件下膠體吸附Pb(Ⅱ)的吸附平衡常數(shù)Kd,獲得最佳pH;2)在室溫和最佳pH條件下,研究不同殼聚糖濃度(0.00%,0.05%,0.10%,0.20%,0.30%)條件下膠體吸附Pb(Ⅱ)的吸附平衡常數(shù)Kd,獲得最佳殼聚糖濃度;3)在室溫下、最佳pH及最佳殼聚糖濃度條件下,研究不同振蕩時(shí)間 (10 ,20,30,40,50,60,120 min)條件下膠體吸附Pb(Ⅱ)的吸附平衡常數(shù)Kd。上述單因素實(shí)驗(yàn)均經(jīng)8000 r/min 離心 10 min 后取上清液測試剩余 Pb(Ⅱ)含量,評價(jià)吸附條件對吸附平衡常數(shù)Kd的影響。
圖2所示為γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體的室溫磁滯回線。復(fù)合膠體的磁化飽和強(qiáng)度(M)隨著外磁場(H)的增強(qiáng)而迅速增強(qiáng),在200 kA/m 附近就達(dá)到了 40 A·m2/kg。磁化與退磁過程沒有出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象,在外磁場為0附近時(shí)復(fù)合膠體的剩磁為0,且矯頑力小到可以忽略不計(jì),表明γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體仍保留了超順磁性。
在超順磁納米顆粒的制備過程中,pH值降低會(huì)使納米顆粒被質(zhì)子化的程度增加,從而可通過調(diào)節(jié)體系pH值來破壞顆粒的靜電平衡以實(shí)現(xiàn)分離。外磁場作用能將溶液中較大的顆粒優(yōu)先沉積聚集,經(jīng)多次逐步磁分離可得到如圖3所示含分布均一、多分散性較小的超順磁納米顆粒的分散液。將分散液用pH為2的硝酸稀釋200倍,再經(jīng)0.2 μm微孔過濾器過濾之后上機(jī)測得納米顆粒的水合直徑D0為 (16 ± 1) nm,分布系數(shù)s= 0.089。
圖3 γ-Fe2O3超順磁納米顆粒的粒徑分布圖
圖4為γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體隨著殼聚糖濃度變化的粒徑分布、DLS及pH為3.0時(shí)的Zeta電位圖。相比于圖3,圖4(a)是以0.1%的殼聚糖與1%的納米顆粒復(fù)合得到的膠體,其水合直徑較純超順磁納米顆粒明顯增大,為(35 ±4) nm,分布系數(shù)也有所增大,為0.168。這是由于超順磁納米顆粒附著在呈無規(guī)線團(tuán)狀的殼聚糖上,限制了納米顆粒在溶液中的擴(kuò)散,而導(dǎo)致水合直徑增大。此外,由于納米顆粒與殼聚糖分子在數(shù)量上是不對等的,體系中仍然存在未與殼聚糖結(jié)合的顆粒,而使得分布系數(shù)有所增加。圖4(b)為殼聚糖濃度對超順磁納米顆粒復(fù)合膠體粒徑及Zeta電位的影響,可以看出準(zhǔn)團(tuán)聚膠體尺寸及Zeta電位均隨著殼聚糖濃度的增加而增加。這是由于體系內(nèi)殼聚糖濃度增加,線性分子結(jié)構(gòu)的殼聚糖相互纏繞幾率變大,聚集的顆粒變多,導(dǎo)致膠體的相對尺寸逐步增大。殼聚糖濃度從0.2%增加到0.3%,膠體的水合直徑劇烈增加,表明殼聚糖分子鏈間的相互纏繞起了主要作用,殼聚糖濃度也達(dá)到了體系殼聚糖濃度的極限值。此外,殼聚糖濃度增加到0.3%、Zeta電位增加到(43±3) mV后不再繼續(xù)增大,表明此時(shí)膠體體系達(dá)到最大穩(wěn)定程度,殼聚糖分子鏈上含有的-NH2、-OH等與納米顆粒形成了較穩(wěn)定配位和靜電平衡。殼聚糖濃度繼續(xù)增加,體系中游離的納米顆粒均與殼聚糖復(fù)合在一起,膠體粒子與粒子間形成競爭關(guān)系,殼聚糖濃度不再成為對膠體穩(wěn)定性的直接影響因素。
圖4 殼聚糖濃度對γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體粒徑及Zeta電位的影響
由于DLS表征的是膠體粒子的水合直徑,無法精確獲得納米顆粒和復(fù)合膠體的尺寸信息,因此進(jìn)一步采用SAXS對體系進(jìn)行輔助表征。由于超順磁性納米顆粒、復(fù)合膠體粒子之間不存在相互作用,而散射強(qiáng)度等于所有粒子散射信號的疊加,故可采用多分散粒子模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[12-13]。對于納米顆粒及膠體粒子,散射強(qiáng)度可表達(dá)為下式:
式中:Δρ——粒子與基體的散射長度密度差;
P(q,R)——半徑為R的球形孔洞的形狀因子;
N(R)——尺寸分布函數(shù);
N(R)dR——單位體積內(nèi)尺寸介于R與R+dR之間的粒子數(shù)量。
通過多分散粒子模型擬合得到SAXS曲線如圖5(a)所示,可以發(fā)現(xiàn)散射點(diǎn)與擬合曲線幾乎完全重合。圖5(b)為擬合得到的超順磁納米顆粒的粒徑分布圖,顆粒半徑約為 4.5 nm (直徑約為 9.0 nm),比DLS得到的粒子流體力學(xué)直徑小,更貼合真實(shí)尺寸。
圖5 γ-Fe2O3超順磁納米顆粒的 SAXS曲線及粒徑分布圖
圖6(a)為 γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體的SAXS曲線圖,圖6(b)中擬合得到的復(fù)合膠體顆粒平均半徑仍約為4.0 nm,即殼聚糖的加入沒有改變體系中粒子的尺寸。SAXS的X射線能穿透殼聚糖有機(jī)高分子,說明少量殼聚糖的加入未能使超順磁納米顆粒真正聚集并形成團(tuán)聚體。由于殼聚糖的加入使得散射矢量在q<0.3 nm–1的區(qū)域有明顯的上翹趨勢,說明體系中出現(xiàn)了軟團(tuán)聚現(xiàn)象。γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體示意圖如圖7所示。
圖6 γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體的SAXS曲線及粒徑分布圖
圖7 γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體示意圖
為了研究殼聚糖濃度對復(fù)合膠體體系粒子尺寸分布的影響,采用同樣的方法對不同濃度殼聚糖與超順磁納米顆粒復(fù)合之后進(jìn)行SAXS表征,結(jié)果如圖8所示。隨著殼聚糖濃度的增加,在散射矢量q<0.3 nm–1的區(qū)域,散射強(qiáng)度與擬合曲線的偏差明顯增大。在該區(qū)域使用Guinier定理結(jié)合多分散粒子模型,可以擬合得到團(tuán)聚體的尺寸[14]。Guinier定理表達(dá)如下:
圖8 超順磁納米準(zhǔn)團(tuán)聚復(fù)合膠體的SAXS曲線擬合圖
式中:Rg——散射粒子的回轉(zhuǎn)半徑,nm;
q——散射適量數(shù)值,nm–1;
Δρ——散射粒子與基體的散射長度密度差,cm–1;
φ——粒子的體積濃度;
Vp——一個(gè)粒子的體積,cm3。
通過擬合得到團(tuán)聚體005CTS-NPs、01CTS-NPs、02CTS-NPs和 03CTS-NPs的半徑分別為 12.0 nm、15.0 nm、19.0 nm 和 25.0 nm,說明殼聚糖分子鏈上大量的-NH2、-OH等官能團(tuán)與γ-Fe2O3的靜電作用成功促使納米顆粒團(tuán)聚而形成了軟團(tuán)聚膠體。
圖9綠色曲線(方形符號)為γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體在不同pH值條件下對Pb(Ⅱ)的吸附平衡常數(shù)Kd曲線。隨著pH值的增加,復(fù)合膠體對Pb(Ⅱ)的吸附平衡常數(shù)呈先增大后減小的趨勢,并在 pH 6.0 時(shí)達(dá)到最大值 5.1×103mL/g??赡艿脑蚴钱?dāng)pH<6.0時(shí),殼聚糖分子鏈在強(qiáng)酸中易被水解,使得吸附效果不佳;此時(shí)的超順磁性納米顆粒表面被質(zhì)子化程度較高,在溶液中多呈現(xiàn)為游離的納米顆粒從而使得分離受限,殘留在上清液的Pb(Ⅱ)較多。而當(dāng)pH>6.0時(shí),殼聚糖的溶解度下降,在溶液中分子鏈呈蜷縮狀態(tài),分子鏈上的官能團(tuán)與Pb(Ⅱ)接觸概率降低,導(dǎo)致吸附性能下降。由圖9中可看出當(dāng)pH從5.5左右開始其分配吸附系數(shù)Kd已達(dá)到 4.6×103mL/g,則能實(shí)現(xiàn)對 Pb(Ⅱ)有效吸附的pH范圍為5.5~7.0,pH 6.0為最佳吸附的pH值。
圖9 pH值、殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)及吸附時(shí)間對吸附平衡常數(shù)的影響
圖9中紅色曲線(三角符號)為殼聚糖濃度對復(fù)合膠體吸附性能的影響。隨著殼聚糖在復(fù)合膠體中比例的增加,對Pb(Ⅱ)吸附性能呈先增加再減小的趨勢。殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0即裸顆粒時(shí),Kd值為 29.0 mL/g,說明超順磁納米裸顆粒對Pb(Ⅱ)幾乎沒有吸附性能。殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí),復(fù)合膠體對Pb(Ⅱ)的吸附性能明顯增加,此時(shí)Kd達(dá)到3.2×103mL/g。表明殼聚糖的加入使得膠體體系含較多-NH,-OH等官能團(tuán),對Pb(Ⅱ)的吸附性能提高。當(dāng)殼聚糖濃度增加到0.1%時(shí),吸附能力成倍增加,表明對Pb(Ⅱ)的吸附過程中占主導(dǎo)作用的是殼聚糖。繼續(xù)增加殼聚糖的濃度,Kd有所減小,可能原因在于殼聚糖濃度增加,體系粘度增大,在磁分離過程中外磁場不能滿足分離需要的磁力,導(dǎo)致殘留在上清液中的Pb(Ⅱ)較多,Kd降低。
吸附速率是評價(jià)吸附劑吸附性能的重要參數(shù)。圖9中藍(lán)色曲線(圓形符號)為吸附時(shí)間對Pb(Ⅱ)吸附平衡常數(shù)的影響曲線,在0~60 min內(nèi)膠體的Kd逐漸增加,10 min 時(shí)Kd=1198.1 mL/g,60 min 時(shí)達(dá)到吸附平衡,說明復(fù)合膠體對Pb(Ⅱ)的吸附平衡時(shí)間約為 60 min,此時(shí)Kd=5089.2 mL/g。
為了進(jìn)一步判別γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體對Pb(Ⅱ)的吸附是以物理吸附還是化學(xué)吸附為主,借助準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級吸附動(dòng)力學(xué)模型對吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[15],并評估吸附過程的性質(zhì)。以下公式分別為準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)吸附模型公式:
式中:t——吸附時(shí)間,min;
qt——單位吸附劑t時(shí)刻吸附Pb(Ⅱ)的量,mg/g;
qe——吸附平衡時(shí)單位吸附劑吸附Pb(Ⅱ)的量,mg/g;
k1——準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)模型的速率常數(shù),1/min;
k2——準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型的速率常數(shù),g/(mg·min)。
圖10為準(zhǔn)一級和準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)吸附模型公式對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的非線性擬合曲線,擬合參數(shù)列于表1中。由線性關(guān)系r2(0.99734>0.99008)可知,γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體對Pb(Ⅱ)的吸附更符合準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型,表明復(fù)合膠體對Pb(Ⅱ)的吸附以化學(xué)吸附為主,其擬合的最大吸附容量qmax=42.9 mg/g,與真實(shí)吸附容量良好吻合。
圖10 準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)吸附模型擬合曲線
表1 準(zhǔn)一級和準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)吸附模型擬合參數(shù)
本研究將γ-Fe2O3超順磁納米顆粒的磁性和天然有機(jī)高分子殼聚糖對重金屬Pb(Ⅱ)的吸附性能相結(jié)合,通過相對簡單且無二次污染的方法制備了γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體。利用DLS與SAXS技術(shù)對膠體粒徑及結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,γ-Fe2O3超順磁納米顆粒呈分布均一的單分散體系,與殼聚糖復(fù)合后呈軟團(tuán)聚的膠體結(jié)構(gòu),其對Pb(II)具有優(yōu)異的吸附性能,吸附過程以化學(xué)吸附為主,符合準(zhǔn)二級吸附動(dòng)力學(xué)模型,最大吸附容量為42.9 mg/g。能實(shí)現(xiàn)對Pb(Ⅱ)實(shí)現(xiàn)有效吸附的pH范圍為5.5~7.0,pH為6時(shí),吸附平衡時(shí)間為60 min,吸附平衡常數(shù)Kd= 5.1 × 103mL/g。綜上可知,本研究制備的γ-Fe2O3超順磁納米顆粒/殼聚糖復(fù)合膠體對Pb(Ⅱ)有優(yōu)異的吸附性能,可為水環(huán)境中類似重金屬離子吸附材料的制備提供參考,在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。