磁性纳米吸附剂对腐殖酸、重金属复合污染的共吸附机理研究

腐殖酸和重金属污染广泛共存于饮用水源水中，对饮水安全构成严重威胁。我们初步探索研究结果表明，胺基官能化磁性纳米微粒可高效去除水中的腐殖酸和重金属污染。本项目拟以胺基官能化磁性纳米微粒为吸附剂，研究其对水中腐殖酸、重金属单一污染和复合污染的吸附行为，结合腐殖酸与重金属间的键合作用机理以及吸附后吸附剂表征结果，探讨磁性纳米吸附剂对水中腐殖酸、重金属复合污染的共吸附机理，研究旨在揭示腐殖酸、重金属和磁性纳米吸附剂表面官能团之间的相互作用机理，明确不同水化学条件对腐殖酸和重金属在磁性纳米吸附剂上共吸附的影响机制，为设计和开发对腐殖酸、重金属复合污染具有高效去除效果的吸附剂提供理论指导和科学依据。

磁性纳米吸附剂具有很高比表面积和超顺磁性，易于分离，具备作为高效吸附材料的潜力。本项目合成两种磁性纳米吸附剂，氨丙基改性磁性纳米吸附剂（Fe3O4@SiO2-NH2）和聚苯胺改性磁性纳米吸附剂（Fe3O4@SiO2-PANI），研究了其对水中腐殖酸、重金属的单一污染及复合污染吸附行为，探讨了磁性纳米吸附剂对腐殖酸、重金属单一污染及复合污染的作用机制，揭示腐殖酸、重金属与吸附剂表面氨基之间的相互作用关系。结果表明，两种磁性吸附剂均是以Fe3O4为核、以SiO2为壳，表面富含氨基的具有核壳结构磁性纳米吸附剂，两种吸附剂氨基含量高，比表面积大，饱和磁化强度大，在外加磁场的条件下，可快速磁性分离。Fe3O4@SiO2-NH2对水中的Cu2+、Pb2+、Cd2+有较高的吸附容量，吸附量随温度的升高而增加，随pH的升高而增加。溶液中阳离子通过竞争吸附剂的活性位点降低Cu2+的吸附量，且随着离子浓度的增加，吸附量逐渐降低。Fe3O4@SiO2-NH2对水中腐殖酸也具有较高吸附量，其吸附为表面单层吸附，并呈现不均匀吸附特性。随着溶液pH的升高，吸附剂对腐殖酸吸附量逐渐降低，水中阳离子的存在促进吸附剂对腐殖酸的吸附。Fe3O4@SiO2-NH2对腐殖酸的吸附主要依靠质子化的氨基与腐殖酸离解的酚羟基或羧基之间通过静电作用形成新的复合物。Fe3O4@SiO2-NH2对水中重金属和腐殖酸复合污染的吸附明显由于单项污染的吸附效果。重金属与腐殖酸之间络合作用可使吸附在吸附剂表面单项污染吸附再吸附另外污染物，同时重金属的加入降低吸附剂表面腐殖酸与游离腐殖酸的静电斥力，从而提高复合污染在吸附剂上的吸附效果。Fe3O4@SiO2-PANI对水中腐殖酸具有较好的吸附效果，其主要通过吸附剂表面氨基中亚胺氮(–N=)质子化形成的掺杂亚胺态氮(–NH•+–)与离解腐殖酸分子之间的静电吸附作用达到去除水中腐殖酸的目的。重金属离子的存在增加腐殖酸在吸附剂上的吸附效果。两种吸附剂均具有较高化学稳定性，脱附率高，再生性好，可循环使用。本研究成果为腐殖酸和重金属复合污染的有效出处理提供理论基础。