磁性二氧化硅/壳聚糖复合气凝胶的制备及其对铜离子的吸附研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2022-0507

摘要/Abstract

摘要：

采用共沉淀法制备四氧化三铁，通过改进Stober法将二氧化硅包裹在四氧化三铁表面，制备磁性二氧化硅，进一步制得磁性二氧化硅/壳聚糖复合气凝胶。通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、比表面积测试（BET）和红外光谱分析（FT-IR）对其结构进行表征。结果表明，复合气凝胶的比表面积为24.93 m²/g，平均孔径为19.02 nm，是一种介孔材料，有利于对铜离子的吸附。考察了pH、复合气凝胶用量和铜离子初始浓度对吸附性能的影响。当pH为6.0、复合气凝胶用量为50 mg、铜离子初始质量浓度为10 mg/L时，复合气凝胶对铜离子的吸附率达98.99%，且循环使用4次后吸附率仍较高。复合气凝胶对铜离子的吸附过程遵循Langmuir吸附等温模型和准二级动力学方程，是一种熵增、吸热自发的化学吸附过程。

关键词: 磁性, 吸附, 二氧化硅, 壳聚糖, 复合气凝胶

Abstract:

Fe₃O₄ was prepared by co-precipitation method，and SiO₂ was wrapped on the surface of Fe₃O₄ by modified stober method to prepare magnetic SiO₂，and then the magnetic SiO₂/chitosan composite aerogel was prepared.The structure of composite aerogel was characterized by scanning electron microscopy（SEM），X-ray diffraction（XRD），specific surface area testing（BET），and Fourier transform infrared spectrometer（FT-IR），and the results showed that the specific surface area of composite aerogel was 24.93 m²/g，the average pore diameter was 19.02 nm，and the composite aerogel was a mesoporous material，it was favorable for the adsorption of Cu²⁺.The effects of the pH value，the dosage of composite aerogel and the initial concentration of Cu²⁺ on the adsorption performance were investigated.When the pH value was 6.0，the dosage of composite aerogel was 50 mg，the initial concentration of Cu²⁺ was 10 mg/L，the adsorption rate of composite aerogel for Cu²⁺reached 98.99 %，and was still relatively high after recycling for 4 times.The adsorption process of Cu²⁺ was followed the Langmuir adsorption isotherm model and the pseudo-secondary-order kinetic model，and it was an entropy-increasing and endothermic spontaneous chemisorption process.

Key words: magnetic, adsorption, silica, chitosan, composite aerogel

中图分类号:

TQ127.2

傅明连, 岑健梅, 陈彰旭. 磁性二氧化硅/壳聚糖复合气凝胶的制备及其对铜离子的吸附研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(6): 70-77.

FU Minglian, CEN Jianmei, CHEN Zhangxu. Study on preparation of magnetic SiO₂/chitosan composite aerogel and its adsorption for Cu²⁺[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2023, 55(6): 70-77.

图/表 15

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参考文献 22

1	ZHANG Xiaoxiao， SHI Xuejuan， MA Liang，et al.Preparation of chitosan stacking membranes for adsorption of copper ions［J］.Polymers，2019，11（9）：1463.
2	王勇力，刘妮，李海洋，等.硅胶改性壳聚糖膜的制备及其对Cu²⁺的吸附性能［J］.无机盐工业，2019，51（8）：60-63.
	WANG Yongli， LIU Ni， LI Haiyang，et al.Preparation of chitosan membrane modified by silica gel and its absorption properties for Cu²⁺ removal［J］.Inorganic Chemicals Industry，2019，51（8）：60-63.
3	PARK S K， KIM Y K.Adsorption of copper ions from aqueous solution using surface modified pine bark media［J］.Journal of the Korean Society of Water and Wastewater，2019，33（2）：131-140.
4	马健伟，任淑鹏，初阳，等.化学沉淀法处理重金属废水的研究进展［J］.化学工程师，2018，32（8）：57-59，41.
	MA Jianwei， REN Shupeng， CHU Yang，et al.Chemical precipitation method for treating heavy metal wastewater［J］.Chemical Engineer，2018，32（8）：57-59，41.
5	杜晗.膜电解法处理高浓度含铜电镀废水技术工艺［D］.兰州：兰州交通大学，2021.
	DU Han.Technology of treating high concentration electroplating wastewater containing copper by membrane electrolysis［D］.Lanzhou：Lanzhou Jiaotong University，2021.
6	GOMELYA N， MELNYCHENKO Y， RADOVENCHYK I.Purification of wastewater from the ions of copper，zinc，and lead using an electrolysis method［J］.Eastern-European Journal of Enterprise Technologies，2018，6（10）：42-48.
7	BURAKOV A E， GALUNIN E V， BURAKOVA I V，et al.Adsorption of heavy metals on conventional and nanostructured materials for wastewater treatment purposes：A review［J］.Ecotoxicology and Environmental Safety，2018，148：702-712.
8	王梓民，石海信，王爱荣，等.两性离子接枝共聚淀粉的制备及对Cu²⁺的吸附性能［J］.工业水处理，2020，40（11）：53-57.
	WANG Zimin， SHI Haixin， WANG Airong，et al.Preparation of zwitterionic graft copolymerized starch and its adsorption performance for Cu²⁺ ［J］.Industrial Water Treatment，2020，40（11）：53-57.
9	李静，何宗文，鲍东杰，等.磁性MnFe₂O₄@Al₂O₃对废水中铜的吸附行为研究［J］.工业水处理，2020，40（7）：56-60.
	LI Jing， HE Zongwen， BAO Dongjie，et al.Adsorption performance of Cu from wastewater using magnetic MnFe₂O₄@Al₂O₃ ［J］.Industrial Water Treatment，2020，40（7）：56-60.
10	LINNIKOV О D， RODINA I V， BAKLANOVA I V，et al.Sorption of copper（Ⅱ） ions from aqueous solution by activated carbon BAU-A and coal sorbent MIU-S.The relationship between the structure of sorbents and their sorption properties［J］.Water Science and Technology，2022，85（10）：3088-3106.
11	LI Mu， LUO Jingwen， LU Jianjiang，et al.A novel nanofibrous PAN ultrafiltration membrane embedded with ZIF-8 nanoparticles for effective removal of Congo red，Pb（Ⅱ），and Cu（Ⅱ） in industrial wastewater treatment［J］.Chemosphere，2022，304：135285.
12	郑怀礼，蒋君怡，万鑫源，等.磁性纳米材料吸附处理工业废水的研究进展［J］.中国环境科学，2021，41（8）：3555-3566.
	ZHENG Huaili， JIANG Junyi， WAN Xinyuan，et al.Adsorption treatment of industrial wastewater by magnetic nanoparticles：A review［J］.China Environmental Science，2021，41（8）：3555-3566.
13	李楠，代红艳.Fe₃O₄@SiO₂核壳磁性纳米材料的制备及其对Cu（Ⅱ）的吸附研究［J］.功能材料，2021，52（8）：8151-8155.
	LI Nan， DAI Hongyan.The preparation of Fe₃O₄@SiO₂ core-shell magnetic nanomaterials and their Cu（Ⅱ） adsorption study［J］.Journal of Functional Materials，2021，52（8）：8151-8155.
14	王君，周怡伶，陈勇，等.Fe₃O₄@SiO₂-Chitosan的制备及其对水中Cu²⁺的吸附效能研究［J］.环境科学学报，2019，39（8）：2567-2574.
	WANG Jun， ZHOU Yiling， CHEN Yong，et al.Preparation of Fe₃O₄@SiO₂-Chitosan and its adsorption properties for copper ions in water［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2019，39（8）：2567-2574.
15	LIU Xudong， HUANG Ying， YAN Jing，et al.Covalently bonded Fe₃O₄@SiO₂-reduced graphene oxide nanocomposites as high-efficiency electromagnetic wave absorbers［J］.Ceramics International，2020，46（4）：5175-5184.
16	吕璐涛，杨宗霖，刘伟，等.气凝胶材料的研究进展及其在航空航天领域的应用［J］.高分子通报，2022（4）：11-29.
	LV Lutao， YANG Zonglin， LIU Wei，et al.Progress of aerogel materials and their applications in aerospace［J］.Polymer Bulletin，2022（4）：11-29.
17	裴梓帆，王雪，唐寅涵，等.磁性气凝胶材料的应用研究进展［J］.材料导报，2019，33（S1）：470-475.
	PEI Zifan， WANG Xue， TANG Yinhan，et al.Research progress on the application of magnetic aerogel materials［J］.Materials Reports，2019，33（S1）：470-475.
18	闵洁，何丽华，郑荣，等.核/壳结构磁性Fe₃O₄@SiO₂纳米粒子的制备及表征［J］.现代化工，2021，41（2）：146-150.
	MIN Jie， HE Lihua， ZHENG Rong，et al.Preparation and characterizations of core-shell structural Fe₃O₄@SiO₂ magnetic nanoparticles［J］.Modern Chemical Industry，2021，41（2）：146-150.
19	CHEN Zhangxu， FU Minglai.Recyclable magnetic Fe₃O₄@SiO₂/β-NaYF₄：Yb³⁺，Tm³⁺/TiO₂ composites with NIR enhanced photocatalytic activity［J］.Materials Research Bulletin，2018，107：194-203.
20	XU Yaohui， ZHOU Yang， MA Wenhui，et al.A highly sensitive and efficient Fe₃O₄@SiO₂ nanoparticles chemosensor for Cu²⁺ removal［J］.Integrated Ferroelectrics，2013，147（1）：110-114.
21	朱丹琛，李名洁，陈彰旭，等.水热法合成二氧化锰及其对染料的脱色性能研究［J］.无机盐工业，2021，53（11）：60- 65.
	ZHU Danchen， LI Mingjie， CHEN Zhangxu，et al.Study on hydrothermal synthesis of MnO₂ and its decolorization performance on dyes［J］.Inorganic Chemicals Industry，2021，53（11）：60-65.
22	张翔凌，邓礼楚，方晨佳，等.不同类型LDHs负载改性麦饭石对Cr（Ⅵ）吸附性能［J］.环境科学，2019，40（1）：300-309.
	ZHANG Xiangling， DENG Lichu， FANG Chenjia，et al.Adsorption of Cr（Ⅵ） in water by maifanite modified with different LDHs coatings［J］.Environmental Science，2019，40（1）：300- 309.

Langmuir常数				Freundich常数
Q_m/（mg·g^-1）	K_L/（L·mg^-1）	R²		1/n	K_F	R²
52.94	1.813 5	0.999 7		0.131 5	36.59	0.917 8

T/K	△G/（kJ·mol^-1）	△H/（kJ·mol^-1）	△S/（J·mol^-1·K^-1）
303	-11.540 7	40.436 8	171.542 8
308	-12.398 4
313	-13.256 1
318	-14.113 8
323	-14.971 5

[1]	徐梦瑶, 张欣, 何琨鹏, 何坚, 蒋炜. 锆钇废料制备氧化钇和磷酸锆吸附剂及其性能评价[J]. 无机盐工业, 2024, 56(3): 116-124.
[2]	李巧云, 黄修行, 韦文业, 陈振. 活性炭协同酸/碱改性粉煤灰对亚甲基蓝的吸附研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(3): 131-136.
[3]	赵闯, 陈自浩, 张博宇, 李犇, 靳凤英, 李滨, 孙振海, 郭春垒. 分子筛吸附剂对不同类型柴油吸附分离性能的研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(3): 80-85.
[4]	贺翌鹏, 熊晨曦, 王一平, 李军, 金央. 室温制备铁基有机金属框架吸附三价砷的研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(2): 111-120.
[5]	李阳, 娄飞健, 隋鑫, 李克艳, 刘飞, 郭新闻. 氨基功能化气相二氧化硅材料的制备及其吸附二氧化碳性能研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(2): 38-43.
[6]	柳富杰, 何倩, 苏龙, 蒋才云. 海藻酸钠表面功能化磁性生物炭对亚甲基蓝的吸附特性[J]. 无机盐工业, 2024, 56(2): 65-73.
[7]	张丽, 张丹, 潘红艳, 董永刚, 李文飞, 秦红. 磷酸法低灰分活性炭的制备研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(2): 95-103.
[8]	严振, 邱兆富, 金锡标, 王远, 刘畅, 杨骥. 4A分子筛负载Ce和γ-Fe₂O₃去除水中Sb（Ⅲ）和Sb（Ⅴ）的研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(1): 81-89.
[9]	王梦迪, 罗瑾, 吴巍, 周靖辉, 王静, 孙彦民, 于海斌. 微反应法制备γ-Al₂O₃及其对甲基橙的吸附性能研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(9): 66-74.
[10]	周世奇, 王涛, 敬方梨, 罗仕忠. 硝酸镁改性碳分子筛分离氮气/甲烷的性能研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(9): 75-80.
[11]	李超, 王丽萍, 戴崟, 高桂梅, 张云峰, 洪雨, 许立军, 崔永杰. 高硅渣碱熔水热合成13X分子筛及吸附铅铜锌离子研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(9): 88-93.
[12]	杨博, 梁志燕, 刘文元, 曹嘉真, 刘昕玥, 邢明阳. 钼基催化材料在水污染控制领域的应用研究进展[J]. 无机盐工业, 2023, 55(8): 1-12.
[13]	王颖南, 绳琳琳, 黄娟, 黄占斌. 燃煤炉渣吸附水中铅的性能研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(8): 109-115.
[14]	唐一夫, 曹长春, 吕鹏. 羟基氧化铁对镉-腐殖酸的吸附研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(8): 124-131.
[15]	桂昌青, 王雅静, 凌长见, 王怀有, 唐忠锋. 氧化镁基二氧化碳吸附剂的制备及改性研究进展[J]. 无机盐工业, 2023, 55(8): 77-83.

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