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李德明
(安徽职业技术学院 环境与化工学院,安徽 合肥 230011)
环境可持续发展与建设工作的持续推进,使环保理念逐步深入人心,水体环境受到重金属元素的污染已经引起了各地关注[1]。当重金属物质进入水体后,会随着城市排水系统进入生物体中,而此类污染物质一旦进入生物循环中,生物体会由于难以降解污染物或重金属富集效应,出现慢性中毒从而死亡的现象。例如,1970年发生在日本的疼痛病事件,近几年发生在我国的血铅事件等[2]。为了解决此类问题,有关单位加大了对水体环境中重金属物质的监测,并通过采样的方式进行样本分析,但由于水体样本基体较为复杂,且部分重金属物质的含量较低,采用较为常规的手段与技术进行监测不仅存在难度高、监测结果不准确的问题,还会对后续的水环境污染治理工作造成干扰[3]。因此,在本文的研究中,尝试引进磁性纳米材料,此种材料具有较为特殊的表面效应,不仅可以作为水体中重金属元素的吸附试剂,也可以通过操作实现对金属物质的二次回收与利用,从而降低重金属元素对水体环境的污染与损害。
1.1 实验对象
为了探究磁性纳米材料对水体中重金属元素的吸附性,选择一种具有磁性的纳米材料作为研究对象。在实验初始状态下,使用不同的n(P)/n(Ni)(1,2,4,6,8)制备磁性纳米材料。将适量的硝酸镍试剂加入到60 mL的蒸馏水中,并将混合后的溶液转移到容量为100 mL的烧杯中进行搅拌,直到溶液从浑浊变为澄清,再加入约4.50 g已经被充分研磨的红磷材料,对烧杯进行加热,并将其放置在水浴锅装置中完成熟化处理[4]。将熟化的实验控制在2.5 h左右,将上述操作得到的混浊溶液静置,随后在其中放入聚四氟乙烯,将其放置在反应釜中,实现高压反应[5]。在反应的过程中,需要确保容器的密闭性,并将其放置在温度为110～120 ℃范围内的干燥箱中,并完成持续10 h的热处理。在完成上述反应后,将得到的试剂全部放入到反应釜中进行充分反应,并在不受外界干扰的情况下,使其温度达到室温。此时反应釜中形成了一种黑色物质,将这一物质通过蒸馏水进行洗涤,确保其不含有任何杂质,最后将其存储在55 ℃的真空干燥环境中,并保证持续时间为10 h。以此得到的固体物质即为本文实验所需的磁性纳米材料。
1.2 实验材料与设备
在完成对磁性纳米材料的制备后,为实现对水体中重金属元素吸附性的检验,还需要完成对各类仪器设备及试剂的选择。实验过程中用到的仪器包括数显恒温水浴锅、电动搅拌装置以及光度计等。其中数显恒温水浴锅选用润联叁runlian-4980型号水浴锅,该型号水浴锅的性能参数如表1所示。
表1 润联叁runlian-4980型号水浴锅性能参数表Tab.1 Runliansan runlian-4980 model water bath performance parameter table
与其他具备相同功能的水浴锅相比,该型号水浴锅恒温振荡装置的工作效率更高,因此,不需要再额外选择其他型号的恒温振荡仪。综合本文实验需要,选用DW-148-060型号电动搅拌装置,其作业方式为连续作业;布局形式为立式;搅拌方式为自落式搅拌;装置方式为移动;工作方式为电动[6]。在运行过程中,DW-148-060型号电动搅拌装置的转速通常在0～3 000 r/min范围内;电动功率为90 W;电压为22 V。而且,DW-148-060型号电动搅拌装置的结构相对简单,其结构包括支架、不锈钢底座、调速装置。四氟搅拌浆、烧杯夹以及电机等,能够实现本文实验环境的快速安装和连接。为了实现对实验结果的测定,选用JC-YZ-500型号原子吸收分光光度计,利用该装置,通过原子吸收法,实现对实验样品中金属元素含量的测定。JC-YZ-500型号原子吸收分光光度计的测定范围十分广泛,可以实现对70余种元素的测定,并且分析速度更快。
此外,实验中需要用到的试剂包括:乙醇、丙醇、环氧氯丙烷等。在实验开始前需要对所有选择的化学试剂纯度进行检测,确保其均未分析纯,实验过程中使用的水均为二次去离子水。
1.3 实验方法
在完成对实验过程中所需的材料、设备以及试剂的选择后,将上述制备的磁性纳米材料精准称取0.01 g,并将其放置在离心管当中。向离心管中分别加入Pb2+,Co2+和Cd2+溶液,同时还需要加入2.0 mL氢离子浓度指数为6.5的缓冲溶液,最后加入水,使离心管中试剂总量为10 mL。在室温状态下进行振荡,持续时间在50～70 min范围内。完成上述操作后,利用磁铁将吸附剂与溶液进行分离,并提取容器当中的生成清液,利用JC-YZ-500型号原子吸收分光光度计对其中含有的金属元素进行测定,并以此探究磁性纳米材料对水体中含有的重金属元素的实际吸附情况。同时,以Pb2+的标准曲线作为依据,将其与上述实验后溶液中的Pb2+浓度变化情况进行对比,并计算得出其脱除率。
式中:η表示脱除率;m表示脱除量;mz表示总量。根据上述计算公式,计算得出磁性纳米材料对水体中各个重金属元素的脱除率。按照上述操作内容,分别完成磁性纳米材料对水体中Pb2+,Co2+和Cd2+等重金属元素脱除率的检测。
2.1 磁性纳米材料不同加入量对水体中重金属元素吸附性探究
根据上述操作方法完成实验,得出实验结果。首先,针对磁性纳米材料对水体中Pb2+重金属元素吸附性进行探究。表2为加入不同量磁性纳米材料对水体中Pb2+重金属元素吸附情况的记录表。
表2 不同量磁性纳米材料对水体中Pb2+重金属元素吸附情况记录表Tab.2 Record table of adsorption of Pb2+ heavy metal elements in water with different amounts of magnetic nanomaterials
表2中A和B为两种制备材料相同但成分比例不同的磁性纳米材料,从表2中的数值可以看出,磁性纳米材料A和磁性纳米材料B的加入量逐渐增加,水体中Pb2+重金属元素浓度均表现出逐渐降低的趋势。通过上述公式计算两种磁性纳米材料对水体中Pb2+重金属元素的脱除率,得出在磁性纳米材料加入量为0.4 g时,磁性纳米材料A对Pb2+的脱除率为88.58%;磁性纳米材料B对Pb2+的脱除率为82.62%。
2.2 不同pH值下磁性纳米材料对水体中重金属元素吸附性探究
针对不同氢离子浓度指数条件下磁性纳米材料对水体当中Pb2+,Co2+和Cd2+等重金属元素的吸附性进行探究。按照上述实验方法进行实验,分别测定不同氢离子浓度指数条件下磁性纳米材料对上述3种水中重金属元素的吸附率,实验结果如表3所示。
表3 不同氢离子浓度指数下磁性纳米材料对重金属吸附性记录表Tab.3 Record table of heavy metal adsorption by magnetic nanomaterials under different hydrogen ion concentration indices
图1 不同吸附时间条件下磁性纳米材料对水体中重金属元素吸附性Fig.1 Adsorption of heavy metal elements in water by magnetic nanomaterials with different adsorption time
从表3中可以看出,在不同氢离子浓度指数条件下,磁性纳米材料对水体中3种不同重金属材料的吸附变化趋势基本相同,在4.0～6.0范围内呈现出持续上升的趋势,在6.0～ 7.0范围内达到最大值,随后呈现出略微下降趋势。同时,从表3中数据横向对比可以看出,磁性纳米材料对于水中Pb2+重金属元素的吸附率明显高于对Co2+重金属元素和Cd2+重金属元素的吸附率。
2.3 不同吸附时间条件下磁性纳米材料对水体中重金属元素吸附性探究
针对不同吸附时间下,磁性纳米材料对上述3种重金属元素的吸附率进行记录,并将记录的数据绘制成图1。
图1针对40～80 min时间内,磁性纳米材料对水体中3种重金属元素的吸附情况进行记录。图1中,3种重金属材料在时间变化中其吸附率整体变化趋势相似,当吸附时间达到70 min时,3种重金属元素的吸附率均达到了最大值。之后,随着时间的进一步增加,3种重金属元素的吸附率并没有发生改变。
本文分别从磁性纳米材料加入量、不同氢离子浓度指数和不同吸附时间3种不同情况下探明磁性纳米材料对水体当中含有的Pb2+,Co2+和Cd2+等重金属元素的吸附性。首先,从表2中得到的实验数据记录结果可以看出,在改变磁性纳米材料加入量的情况下,水体当中的重金属元素表现出持续地降低,说明此时磁性纳米材料的吸附能力持续进行。
随着磁性纳米材料加入量的增加,当加入量在 0.4～0.8 g范围内时,重金属元素的浓度变小的趋势逐渐减弱,此时可认为磁性纳米材料的吸附能力已经逐渐达到饱和状态,若继续向溶液当中添加更多量的磁性纳米材料,其吸附效果依然不会发生较大改变。因此,通过表2及实验过程中得到的结果可以得出,在对水中重金属元素进行吸附时,应当将磁性纳米材料的加入量控制在0.4 g以内,以此确保达到最理想的吸附效果,保证磁性纳米材料的吸附性能。
从表3中可以看出,随着磁性纳米材料所处环境中氢离子浓度指数的改变,针对水体当中不同重金属元素的吸附性也发生了改变。在氢离子浓度指数在4.0～6.5范围内,3种水体中重金属元素的吸附率均呈现持续上升的变化趋势。当氢离子浓度指数在6.5以上时,磁性纳米材料对于3种重金属元素的吸附性均出现了不同程度的下降。当氢离子浓度指数为7.5时,Pb2+重金属元素出现了略微上升的趋势,并逐渐达到最大值,而另外两种重金属材料Co2+和Cd2+的吸附率逐渐降低,并且没有再次上升的趋势。因此,根据这一现象可以得出,在实际应用磁性纳米材料对水体当中重金属元素进行吸附时,应当将溶液的氢离子浓度指数控制在6.5左右,以此确保磁性纳米材料具备最佳的吸附效果。
从图1中可以看出,在不同吸附时间条件下,磁性纳米材料对于水体中重金属元素的吸附性,仍然是对Pb2+重金属元素的吸附效果最佳,其余两种重金属元素的吸附效果相似。随着吸附时间的不断增加,在达到 70 min时,3种重金属元素的吸附率均达到了最大值,随后,时间继续增加,3种重金属元素的吸附率均保持不变。因此,可以得出,在实际应用磁性纳米材料时,应当将吸附时间控制在70 min左右,在70 min之前磁性纳米材料的吸附性无法得到充分发挥,在70 min之后,磁性纳米材料逐渐达到饱和状态,无法实现对更多水体中重金属元素的吸附。
为探究磁性纳米材料对水体中含有的各类重金属元素具备的吸附性及效果,完成了对磁性纳米材料的制备,分别针对水体中的Pb2+,Co2+和Cd2+重金属元素在3种不同条件下的吸附效果进行探究。研究结果表明,磁性纳米材料在对水体中的重金属进行吸附时,应当将磁性纳米材料加入量控制在0.2～0.4 g范围内;将溶液的氢离子浓度指数控制在6.0～6.5范围内;将吸附时间控制在70 min左右。
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