PDMDAAC功能化二氧化钛复合材料对金属离子吸附研究

背景介绍金属废水因其对环境污染严重、危害人类健康而越来越引起人们的重视。二氧化钛（TiO2）由于具有优异的物理化学性能和环境友好性，近年来被广泛应用于水体中金属离子的去除。PDADMAC是一种强阳离子聚电解质，由于电荷密度高，它是废水处理中最理想的聚合物。PDMDAAC主链上有带正电荷的铵基环状结构，有粘结剂的作用，改善颗粒和基材之间的附着力。本文以钛酸四丁酯为前驱体，以PDADMAC为改性剂，采用凝胶-溶胶法制备功能化TiO2。在不同的工艺条件（pH、离子强度、吸附时间、吸附温度、吸附浓度）下探讨改性TiO2的吸附效率，并回收处理。文章亮点01.以钛酸四丁酯为前驱体，PDMDAAC为改性剂，采用凝胶-溶胶法制备N、C、Cl掺杂的功能化二氧化钛，改性二氧化钛为锐钛矿晶型，结构疏松，比表面积增大，有利于吸附；02.以金属离子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+为研究对象，当PDMDAAC掺杂量物质的量比为二氧化钛的0.2%时，室温条件下，5min内Al3+、Cr3+去除率可以达到99%以上，属于快吸附；03.Cu2+、Pb2+吸附动力学模型符合准二级动力学模型。金属离子存在竞争吸附，吸附容量相比单独吸附时有所减小；04.改性吸附剂经0.1mol/L柠檬酸溶液洗脱再用，重复利用8次，吸附率仍保持在84%以上。内容介绍1实验部分1.1

主要仪器与试剂1.2

功能化二氧化钛的制备1.2.1

凝胶-溶胶法制备二氧化钛1.2.2

PDMDAAC功能化二氧化钛（PDMDAAC@TiO2）1.3

吸附实验准确称取10.0mgPDMDAAC@TiO2于离心管中，加入Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+金属离子溶液，浓度100mg/L，离子强度调至10.0%（质量/体积），pH调至8.5，定容至200.0mL，室温振荡50min，8000r/min离心分离10min，取上清液，进入ICP-OES测定。2结果与讨论2.1

二氧化钛的表征图1为TiO2和PDMDAAC@TiO2

X射线粉末衍射图。根据XRD谱图分析，TiO2各个衍射峰与标准锐钛矿晶型TiO2的衍射峰峰位相符，25.3°（101）、38°（004）、47.7°（105）、54.8°（204）相对应，不存在30.8°（121）衍射峰对应的板钛矿晶型，样品与TiO2标准卡片JCPDS21-1272一致，说明TiO2和PDMDAAC@TiO2均为单一锐钛矿晶型。在加入PDMDAAC后，N、C、Cl掺杂后，分散性得到了改善，更有利于水处理中的应用。图2为TiO2和PDMDAAC@TiO2扫描图，可以看到，溶胶-凝胶法制备的TiO2结构比较紧致，而通过阳离子电解质PDMDAAC功能化改性，得到的TiO2表面结构疏松，表面粗糙，孔洞增加，不容易结块。图3中TiO2和PDMDAAC@TiO2的吸附曲线属于有明显H3滞后Ⅳ等温线，平均孔径属于介孔材料。2.2

TiO2和PDMDAAC@TiO2对金属离子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+的吸附TiO2、PDMDAAC和PDMDAAC@TiO2对Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+吸附效率如图5所示。2.3

功能化二氧化钛吸附金属离子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+工艺条件优化2.3.1

pH对金属离子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+吸附率的影响图6为pH对金属离子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2++吸附率的影响。2.3.2

离子强度对金属离子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+吸附率的影响水体中无机离子的影响，以最常见的Na+为考察对象，研究共存离子对吸附4种金属离子行为的影响。考察了NaCl溶液（0、5%、10%、15%、20.0%）对Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+吸附率的影响。图7结果表明，随着离子强度的增大，Cr3+、Cu2+和Pb2+均在离子强度10.0%处达到吸附平衡，因NaCl增大了吸附剂与Cr3+、Cu2+和Pb2+的静电作用。2.3.3

吸附温度对金属离子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+吸附率的影响实验考察了不同温度（10、20、30、40、50℃）对Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+吸附率的影响。结果显示，20℃时Cu2+吸附率达到最大，并随温度的升高保持平稳；温度对Al3+、Cr3+和Pb2+吸附率没有影响。为了操作简便，选择室温为最佳吸附温度。2.3.4

吸附时间对金属离子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+吸附率的影响2.3.5

金属离子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+浓度对吸附率的影响20℃、离子强度NaCl为10%、pH=8.5时，吸附时间为50min，1g吸附剂分别对Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+不同浓度溶液单独进行吸附去除，同时对Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+

4种金属溶液混合吸附去除。吸附剂用量为1g，金属离子浓度在不同浓度下，吸附浓度结果如图10所示。2.4

功能化TiO2回收再用3结论3.1

采用凝胶-溶胶法制备以钛酸四丁酯为前驱体，以PDMDAAC为改性剂，采用凝胶-溶胶法制备N、C、Cl掺杂的功能化二氧化钛，XRD表征属于锐钛矿晶型，SEM和BET表征表明，改性后结构疏松，比表面积增大，有利于吸附。3.2

以金属离子Al3+、Cr3+、Cu2+、Pb2+为研究对象，当PDMDAAC掺杂量物质的量比为二氧化钛的0.2%时，室温条件下，pH=8.5，离子强度取NaCl质量浓度为10%，功能化二氧化钛用量为10mg处理浓度为100mg/L的混合废水，去除率达到99%以上。3.3

吸附剂对Al3+、C