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铁酸锰/壳聚糖的制备及其对重金属的吸附性能研究

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随着社会经济发展，水环境里污染物质逐渐增加，对环境与人体健康产生了一定影响。尤其是随着采矿、化工和皮革制造业（含有铬、镉、铜、汞、镍、锌等重金属离子）的发展，废弃物处置不合理，会造成多种重金属进入到水体中。水体中的重金属在物理沉淀、化学吸附等作用下由水相转入固相，沉积于河流湖泊的底泥中，此时底泥成为重金属的“汇”。但是随着外部环境条件的变化，底泥又能够重新向水体释放重金属，出现明显的二次污染，此时底泥成为重金属的“源”。所以水体与底泥中的重金属污染已是目前世界上较为关注的环境问题。而怎样科学合理修复重金属污染的水体和底泥成为了研究的热点之一。 本试验针对铜和镉重金属污染问题，用铁酸锰(MnFe2O4)改性壳聚糖（chitosan，CS），制备新型磁性铁酸锰/壳聚糖(MnFe2O4/CS)吸附剂。通过单因素试验探究了壳聚糖浓度、铁酸锰与壳聚糖的质量比、交联剂戊二醛的浓度、反应溶液pH和反应温度对磁性铁酸锰/壳聚糖吸附性能的影响。试验表明，当壳聚糖浓度为10mg/L时，铁酸锰/壳聚糖吸附剂成良好的微球形态，没有拖尾现象。铁酸锰与壳聚糖的质量比为0.2:1时，对 Cu(Ⅱ)的吸附量最大为72.38mg/g，随着铁酸锰比值增大，锰离子和铁离子与壳聚糖中氨基和羟基形成氢键增加，占据了活性位点，铜离子无法被吸附。戊二醛的浓度为25%时，对Cu(II)吸附容量最大为63.45mg/g，壳聚糖由线性长链变成网状二维结构，机械强度增加。pH为12时，对Cu(II)吸附容量最大为64.29mg/g，再增加pH值，吸附容量也基本不再增加。反应温度为40℃时，对Cu(II)吸附容量最大为70.08mg/g，再升高温度吸附容量下降。通过正交试验综合考察壳聚糖的浓度、铁酸锰的质量、戊二醛的浓度和氢氧化钠浓度对磁性铁酸锰/壳聚糖合成的影响，优化制备过程中参数。试验表明，最佳制备参数是当壳聚糖浓度为10mg/L，m(MnFe2O4)/m(CS)=0.2:1，戊二醛的质量分数为30%，反应温度为45℃，反应pH为12，反应时间为12h时，吸附容量最大为80.7mg/g。通过磁滞回线，磁性铁酸锰与壳聚糖的饱和磁化强度为12emu/g，没有观察到剩磁和矫顽力，表明新制备的吸附剂具有超顺磁性。通过磁场沉降，铁酸锰/壳聚糖可以在20s时间内完成沉降，而自由沉降需要100s，表明新制备铁酸锰/壳聚糖吸附剂具有良好的磁性性能，可以实现快速固液分离。 通过吸附试验，系统的研究了pH、重金属的初始浓度、温度和时间等因素对磁性铁酸锰/壳聚糖吸附效果的影响。水体中的Cu(II)最佳吸附条件为pH=5.00，温度为25℃，吸附时间为15分钟，其最大吸附量为62.30mg/g；Cd(II)最佳吸附条件为pH=7.00，温度为25℃，吸附时间为15分钟，其最大吸附量为60.60mg/g。通过热力学研究发现，铁酸锰/壳聚糖复合微粒吸附水中Cu(II)和Cd(II)均符合Langmuir模型，即主要是单分子层吸附。该吸附反应△G<0，表明吸附过程是自发进行；△H<0，表明吸附是一个放热过程。通过动力学研究发现，吸附过程符合准二级动力学模型，即化学吸附是控制吸附速率的最主要步骤。通过再生试验发现，铁酸锰/壳聚糖在前三次的循环再生中，吸附容量仍然可达35mg/g以上，表明其磁分离效果好，回收率高，再生以后可以循环利用。 通过分析污染底泥金属镉和铜的浓度发现，加入铁酸锰/壳聚糖吸附剂7天后，重金属镉质量浓度由4.35mg/kg降到0.80mg/kg，重金属铜的质量浓度由335.70mg/kg降低到82.42mg/kg。通过BCR重金属形态提取试验，结果表明金属镉和铜的酸可提取态和可还原态含量降低最明显，金属镉的弱酸提取态由0.43mg/kg降低到0.04mg/kg，可还原态由2.26mg/kg降低到0.10mg/kg，金属铜的弱酸提取态由73.70mg/kg降低到6.24mg/kg，可还原态由113.36mg/kg降低到9.74mg/kg，有效降低重金属对周围环境的危害。

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