摘 要

水体重金属污染已经成为一个广受关注的环境问题，水体中的重金属污染物会对人体健康和环境造成十分严重的危害，治理水体重金属污染迫在眉睫。

本研究以磁性纳米材料Fe₃O₄为载体，在其表面进行二氧化硅包覆以增强稳定性。采用硅烷偶联剂进行表面氨化处理，最后嫁接聚乙烯亚胺于复合磁核上，合成了磁性螯合剂Fe₃O₄@SiO₂-NH₂-PEI。对合成的磁性螯合剂进行傅里叶红外光谱分析表明聚乙烯亚胺成功嫁接到磁性纳米微球表面，X射线衍射表征显示合成的磁性螯合剂与四氧化三铁磁性纳米材料具有相同的晶形，都具有稳定的反尖晶石型面心立方结构。

将磁性螯合剂用于去除含重金属镉离子（Cd² ）和铅离子（Pb² ）的溶液，吸附实验表明吸附剂最佳投加量为1.2g/L，最适pH条件为7.5，pH在2到8.5范围内，无论是镉离子还是铅离子，磁性螯合剂对金属离子的吸附量随着pH的增加而增加。吸附平衡在20min内就能达到，磁性螯合剂对金属镉离子的最大吸附量为110.49mg/g，对金属铅离子的最大吸附量为147.06mg/g。吸附动力学行为能很好地用准二级动力学模型拟合，等温吸附行为能用Freundlich吸附模型较好地实现拟合。稳定性实验表明磁性螯合剂耐酸碱性能优异。

关键词： 磁性纳米粒子 聚乙烯亚胺 重金属 吸附

Abstract

Heavy metal pollution in water has become a widespread concern of environmental issues, heavy metal pollutants in the water body will cause serious harm to human health and the environment.Treatment of heavy metal pollution is imminent.

A magnetic adsorbent Fe₃O₄@SiO₂-NH₂-PEI has been synthesized in this research .First we synthesis Fe₃O₄ magnetic carrier, and in order to enhance it’s stability, a layer of SiO₂ shell is coated on it’s surface,then the magnetic core is ammonia treated and finally be grafted with Polyethylene polyimide . The Fourier Transform Infrared spectroscopy shows that Poly(ethylenimine) has been successfully grafted to the surface of magnetic nano microspheres. X-ray diffraction shows the magnetic chelating agent and Fe₃O₄ magnetic nano material has the same crystal type and both of them have stable inverse spinel type face centered cubic structure.

The magnetic chelating agent is used to removal heavy metal cadmium ion(Cd² ) and lead ion (Pb² )in solution.Adsorption experiments indicates that the optimum dosage of magnetic chelating agent is 1.2 g/L ,the optimum pH is 7.5.In the range of pH from 2 to 8.5,for both cadmium ion and lead ion, adsorption capacity increases with the increase of pH. The adsorption equilibrium could be reached in 20 min, the maximum adsorption capacity of the cadmium ion is 110.49mg/g, and the maximum adsorption capacity of the lead ion is 147.058mg/g.The adsorption kinetics can be well fitted by the quasi two stage kinetic model, and the adsorption isotherm can be well fitted by the Freundlich adsorption model. The stability tests show that the magnetic chelating agent has excellent acid and alkali resistance.

Keywords: Magnetic nanoparticles Poly(ethylenimine) Heavy metal Adsorption.

目录

第1章 绪论 1

1.1 水体重金属污染研究概况 1

1.1.1 重金属废水的概念及来源 1

1.1.2 水体重金属污染现状 2

1.1.3 重金属污染的危害 2

1.1.4 水体污染的治理方法 3

1.2 磁性纳米材料概述 5

1.2.1 纳米材料概述及应用 5

1.2.2 磁性纳米材料概述 5

1.2.3 磁性纳米材料的制备及改性 5

1.2.4 磁性纳米材料在水处理中的应用 6

1.3 聚乙烯亚胺（PEI）概述 7

1.3.1 聚乙烯亚胺的性质 7

1.3.2 聚乙烯亚胺在水处理中的应用 7

1.4 论文思路 8

1.4.1 研究目的 8

1.4.2 研究意义 8

1.4.3 研究内容 8

1.4.4 技术路线 9

1.5 论文创新点 9

第2章 磁性螯合剂的制备及表征 11

2.1 磁性螯合剂的制备 11

2.1.1 试剂和材料 11

2.1.2 磁性纳米材料Fe₃O₄的制备 12

2.1.3 磁核Fe₃O₄@SiO₂的制备 14

2.1.4 复合磁核Fe₃O₄@SiO₂-NH₂的制备 15

2.1.5 嫁接PEI制备磁性螯合剂Fe₃O₄@SiO₂-NH₂-PEI 15

2.2 磁性螯合剂的表征 16

2.2.1 傅里叶红外变换光谱 16

2.2.2 X射线衍射 17

2.3 小结 19

第3章 磁性螯合剂对Pb² 和Cd² 的吸附性能研究 20

3.1 仪器药品 20

3.2 实验方法 21

3.2.1 重金属溶液配制 21

3.2.2 吸附量和去除效率计算方法 23

3.2.2 吸附剂投加量实验 23

3.2.3 不同pH条件实验 23

3.2.4 吸附动力学实验 24

3.2.5 吸附等温线研究 24

3.2.6 磁性螯合剂稳定性实验 24

3.3 结果与讨论 24

3.3.1 工作曲线的绘制 24

3.3.2 吸附剂投加量对吸附性能的影响 26

3.3.3 溶液初始pH对吸附性能的影响 27

3.3.4 接触时间对吸附性能的影响 29

3.3.5 金属离子初始浓度对吸附性能的影响 33

3.3.6 稳定性实验 36

3.4 小结 39

第4章 结论及展望 41

4.1 结论 41

4.2 展望 42

参考文献 43

致谢 46

第1章 绪论

在现代工业生产中，大量含有重金属污染物的废水如电镀、钢铁、矿业、冶金等行业的生产废水排放到环境中，成为水体重金属污染的主要来源。重金属在环境中性质稳定，不易被生物降解，容易通过饮用水和食物链被人和其他生物吸收、在生物体内蓄积，甚至可以转化为更强毒性的形态，对人类健康和环境产生严重的危害^[1]。因此在重金属废水排放到环境之前十分有必要对其进行处理，实现各项指标达标排放。

在水体重金属污染治理领域，现阶段国内外研究和应用较多的方法主要有吸附法（包括物理吸附法、化学吸附法、生物吸附法）、沉淀去除法、离子交换法、膜分离法以及生物法。这些方法中，吸附法由于具有运行成本较低且不易造成二次污染等优点，得到了广泛的研究和应用^[2]。然而传统的吸附剂存在吸附能力不够强、吸附成本较高、吸附剂不易回收再利用等缺点，因此国内外学者越来越致力于研究吸附能力强、易于回收和再生的新型吸附材料。随着纳米技术的发展，纳米材料作为一种新型水处理吸附剂在水处理领域已经展现出很好的应用效果。但是普通纳米吸附剂却因为纳米级的尺寸，在投加到溶液中后很难从溶液中分离，还有造成二次环境污染的可能^[3]。相比之下,磁性纳米材料不光具有很强的磁性，易于吸附后分离再利用，在水体中有很好的分散性，并且改性后的磁性纳米材料具有可调的外壳，在其表面可以嫁接很多具有高效吸附能力的基团,可以作为一种非常有应用前景的新型吸附材料用于治理水体重金属污染。

1.1 水体重金属污染研究概况

我国面临的水体重金属污染问题十分严峻。地下水砷污染严重，汞污染也较为严重，许多流域的水体中重金属浓度均不达标^[4]。在国外一些国家和地区，水体重金属污染问题也很严重，重金属污染已成为了一个世界范围的环境问题。近年来，关于水体重金属污染的研究已经日益得到重视，成为国内外学者十分关注的一个热点问题。

1.1.1 重金属废水的概念及来源

通常所说的重金属是指相对原子质量在63.5到200.6之间，密度大于5 g/cm³的金属元素，其中大部分都属于过渡元素及其离子形态，还包括硒和砷两种非金属。环境方面所定义的重金属，主要是指镉、铬、铅、汞和非金属砷。由于毒性强，这五种金属被称为工业 “五毒”^[5]。除上述这些元素外，环境领域定义的重金属还包括锡、镍、铜、锌等具有一定毒性的一般重金属元素。