磁性黄原酸化壳聚糖的合成及除Sb(Ⅲ)效果研究

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锑作为一种重金属元素,由于其慢性毒性以及潜在的致癌性风险,引起了研究者广泛关注。Sb(Ⅲ)化合物的毒性是Sb(Ⅴ)化合物的10倍,但Sb(Ⅴ)的迁移率和溶解度却大于Sb(Ⅲ)。锑及其化合物可以通过呼吸道、消化道和皮肤接触等多种途径进入人体,并且所有锑及其化合物都对人体具有毒性。锑及其化合物容易与人体或动物体内的巯基结合,干扰体内酶的活性,破坏细胞内的离子平衡,从而造成生物体新陈代谢紊乱,对生物体组织、器官以及系统产生损害。急性中毒在临床上表现为呕吐、腹痛腹泻、血尿、肝肿大、痉挛及心律紊乱等症状;慢性中毒则表现为肺功能改变、慢性支气管炎、肺气肿、早期肺结核、胸膜粘连和尘肺病,并且心血管系统和肾脏也会受到损害,尤其是神经系统。因此,锑及其化合物被许多国家列为重点污染物。本研究以壳聚糖、二硫化碳(CS2)、四氧化三铁(Fe3O4)为原料,戊二醛为交联剂,采用超声波辅助合成法成功制备出了一种核-壳结构的磁性黄原酸化壳聚糖重金属捕集剂(FSiCS)。通过测定水溶液中Sb(Ⅲ)的去除率,来评价FSiCS的性能。当CS2用量为3.0mL、NaOH质量浓度为9.0%、反应时间为60+60 min、超声功率为160 W、戊二醛用量为150μL、反应温度为50℃时,此条件下合成的FSiCS性能最佳,并用傅立叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜与能谱(SEM-EDS)、差热-热重(TG-DSC)、振动样品磁强计(VSM)、X-射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)对其进行了表征。FTIR表明FSiCS中含有-SH、N-C=S、C=S、C-S等含硫基团或化学键。SEM-EDS表明FSiCS的粒径在100 nm250 nm之间,呈圆球型或多边形,混凝过程中与Sb(Ⅲ)发生了配位作用和离子交换作用。TG-DSC表明FSiCS中黄原酸化壳聚糖的质量分数大约为44.92%,Fe3O4@SiO2的质量分数大约为48.32%。VSM表明FSiCS具有优异的磁响应性能以及超顺磁性,能够快速实现磁分离。XRD表明FSiCS仍具有磁性Fe3O4粒子晶体特性,混凝过程中FSiCS上的S原子并未将Sb(Ⅲ)还原成单质Sb,而是与Sb(Ⅲ)以配位键结合。XPS表明FSiCS-Sb中Sb原子以Sb(Ⅲ)与Sb(Ⅴ)两种化合价态存在,Sb(Ⅲ)被氧化成了Sb(Ⅴ),混凝去除过程中以S原子配位作用为主,同时伴随着Na+离子交换作用。FSiCS具有比Fe3O4、Fe3O4SiO2更好的除Sb(Ⅲ)效果,在pH值为1.02.0的强酸性条件下,有利于FSiCS对Sb(Ⅲ)的去除,当pH值为2.0时去除效果最优。Sb(Ⅲ)去除率随投加量的增加而增加,并且在适当投加量条件下,溶液中的Sb(Ⅲ)几乎可以完全去除。共存阴离子Cl-、NO3-、PO43-、SO42-、F-与共存阳离子Ca2+、Mg2+、Al3+、NH4+、Ba2+对Sb(Ⅲ)去除无明显的抑制作用,SiO32-与K+在离子强度≥10.0 mM时,对Sb(Ⅲ)去除表现出较强的抑制作用,尤其是SiO32-。适当的混凝控制指标参数条件,有利于提高FSiCS对Sb(Ⅲ)去除效果。FSiCS具有良好的再生混凝性能,初次使用后经过NaOH溶液5次循环脱附与再生混凝,对Sb(Ⅲ)的去除率仍保持60.0%以上。总的来说,FSiCS对溶液中的Sb(Ⅲ)的去除效果较好,在治理Sb(Ⅲ)水污染方面具有很大的潜力。
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