ZnO/Al2O3复合粉体对Cu2+的吸附研究

2015-05-10高友君陈政

应用化工 2015年12期

高友君，陈政

(贺州学院化学与生物工程学院，广西贺州 542899)

随着冶炼、采掘、电镀和皮革等行业的发展，重金属对生态环境的污染日渐被人们重视起来。处理重金属废水的方法也层出不穷，有吸附法［1-3］、离子交换法［4］、电解法［5-6］、反渗透法［7］、膜分离［8］及生物处理法［9］。其中，吸附法因其操作简单、成本低、去除率高等优点已成为目前研究的一个热点。

无机粉体材料尤其是纳米材料因具有较大的比表面积，逐渐成为人们关注的吸附剂种类之一。ZnO/Al2O3复合粉体多被应用于光催化、介电等领域［10-14］，但在吸附方面的研究报道较少［15］。本文采用共沉淀法制备 ZnO/Al2O3复合粉体，用于吸附Cu2+，探究了吸附的影响因素。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

ZnSO4·7H2O、Al2(SO4)3·18H2O、NaOH、Cu-SO4·5H2O、盐酸、无水乙醇、乙二胺四乙酸、氯化铵、氨水、三氯甲烷、聚乙二醇均为分析纯。

SX2-5-12马弗炉;JB-3A型恒温定时磁力搅拌器;pH计;SP-722型可见光光度计;DGF301-HG101-2A型电热鼓风干燥箱。

1.2 实验方法

1.2.1 氧化锌/氧化铝复合粉体的制备参考文献［14］的合成方法，根据 ZnO∶Al2O3(质量比)=9∶1，4∶1，7∶3，3∶2，1∶1 制备5 种 ZnO/Al2O3复合粉体。按比例量取一定体积的ZnSO4和Al2(SO4)3溶液，并添加一定量的聚乙二醇6000，磁力搅拌并加热至50℃，恒温滴加NaOH溶液，调节混合液的pH=9，陈化1 h后离心分离，所得沉淀用蒸馏水和无水乙醇各洗涤3次，将沉淀置于烘箱干燥，研磨后放进马弗炉，在400℃的条件下煅烧4 h，最后得到ZnO/Al2O3复合粉体。

1.2.2 Cu2+标准曲线的绘制参考文献［16］，取0.0，0.5，1.0，1.5，2.0，3.0 μg/mL Cu2+溶液各20 mL，然后各加入5 mL乙二胺四乙酸溶液，5 mL氯化铵-氨水缓冲溶液，5 mL二乙基二硫代氨基甲酸钠溶液，摇匀，静置5 min。准确加入10.00 mL三氯甲烷，振荡1 min，静置，显色后于1 h内完成测定。

取萃取液于2 cm比色皿中，以试剂空白作为参比，通过分光光度计在440 nm波长处，测量吸光度，对应相应的Cu2+浓度，绘制标准曲线，见图1。

图1 Cu2+标准曲线Fig.1 Standard curve of Cu2+

1.2.3 吸附实验移取20 mL 1.0 μg/mL的 Cu-SO4溶液，加入一定量的ZnO/Al2O3复合粉体，磁力搅拌10 min，静置30 min，离心后移取上清液。依次加入5 mL乙二胺四乙酸溶液、5 mL氯化铵-氨水缓冲溶液和5 mL二乙基二硫代氨基甲酸钠溶液，摇匀;再加入10.00 mL三氯甲烷，显色后测定吸光度，并通过标准曲线的测定换算出吸附后溶液中重金属的浓度，由吸附率公式(1)算出吸附率D。

其中，C0为吸附前的Cu2+浓度，C为吸附后的Cu2+浓度。

2 结果与讨论

2.1 不同样品及投加量对吸附效果的影响

在25℃，pH=7的条件下，将按不同质量比制成的5 种样品，分别称取 10，20，30，40，50 mg 放入20 mL 1.0 μg/mL 的 CuSO4溶液中，吸附一定时间后测定其吸光度，结果见图2。

图2 吸附率与样品和投加量的关系Fig.2 The effects of sample composites and dosages on adsorption rate

由图2可知，按不同比例制备的ZnO/Al2O3复合粉体对Cu2+的吸附效果不同，样品一、样品二、样品五在投加量＜30 mg时吸附率逐渐增大，至30 mg时达到最大吸附率;样品三在40 mg之前吸附率逐渐增大，40 mg时达到饱和;样品四的吸附率在20 mg时已达到饱和，之后随着投加量的增加不再发生变化。从整体上看样品二对Cu2+的吸附率最高可达88.74%，故选择样品二为最佳吸附样品。

2.2 pH对吸附效果的影响

在25℃，使用样品二，投加量为30 mg，调节溶液 pH 值分别为 4，5，6，7，8，吸附一定时间后测定其吸光度，结果见图3。

图3 吸附率与pH的关系Fig.3 The effects of pH values on adsorption rate

由图3可知，不同pH值条件下ZnO/Al2O3复合粉体对Cu2+的吸附率先增大后减小。ZnO/Al2O3复合粉体属于两性氧化物，既溶于酸又溶于碱，所以溶液酸性或碱性过大都会对吸附效果造成一定的影响。当pH ＜6的时候，可能由于ZnO/Al2O3复合粉体的部分溶解导致对Cu2+的吸附率不高;当pH=6时，此时吸附效果最好，吸附率达到90.62%;而随着pH的增大，可能由于溶液中的Cu2+与 OH－形成了显色更明显的［Cu(OH)4］2－，导致了吸附率的降低。所以选择最佳pH为6。

2.3 振荡时间对吸附效果的影响

在25℃，使用样品二，投加量为30 mg，pH=6的条件下，选取不同的振荡时间 2，5，10，15，20 min，后测定其吸光度，结果见图4。

图4 吸附率与振荡时间的关系Fig.4 The effects of reaction time on adsorption rate

由图4可知，ZnO/Al2O3复合粉体对Cu2+的吸附随着振荡时间的延长，吸附率逐渐增大，在15 min时吸附可达饱和，此时最大吸附率为 91.8%。15 min之后吸附率略有降低，这可能是由于部分Cu2+发生了解吸，所以对 Cu2+的吸附振荡时间15 min为最佳条件。

2.4 温度对吸附效果的影响

使用样品二，投加量为30 mg，pH=6，把溶液于恒温磁力搅拌器上分别加热到20，30，40，50，60℃，振荡时间为15 min后测定其吸光度，结果见图5。

图5 吸附率与温度的关系Fig.5 The effects of reaction temperature on adsorption rate

由图5可知，随着温度升高ZnO/Al2O3复合粉体对Cu2+的吸附率随着温度升高先增大后减小。在40℃时吸附率达到最高值92.5%，当温度＞40℃时，吸附率又急剧下降。这可能是由于温度过高时离子及分子的热运动加剧，导致吸附平衡受到破坏，更多的Cu2+解吸出来，导致吸附率下降，所以吸附最佳温度为40℃。

3 结论

(1)采用共沉淀法制备ZnO/Al2O3复合粉体，按ZnO∶Al2O3不同的质量比制成的样品中以 ZnO∶Al2O3(质量比)为4∶1的样品二的吸附效果最好。

(2)ZnO/Al2O3复合粉体对Cu2+有较好的吸附效果，最佳吸附条件是在样品二投加量为30 mg，pH=6，振荡时间为15 min，温度为40℃，吸附率达到92.5%。

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