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文|盘虎说

编辑|盘虎说

(资料图)

«——【·前言·】——»

在本研究中，铁去除水溶液中镉离子的效率是一种简单有效的吸附剂。利用微波辅助水热法在短时间内合成了所制备的吸附剂。

采用中心组合设计研究了各种因素对二价镉离子去除率的影响，获得最大二价镉 去除率的最佳因素条件为:pH = 5.97，吸附剂用量为1.49g·L−1镉浓度:59.29毫克升−1，接触时间:54.79分钟。结果表明模型在预测水溶液中二价镉离子去除率方面具有理想的能力。

«——【·介绍·】——»

美国环境保护署已将镉、汞、砷、镍、铅和镉等重金属归类为有毒环境污染物。化学和其他工业将这些重金属纳入环境循环及其生态，如水、农产品和人体。由于许多重金属会导致人类的各种疾病，因此它们进入环境一直是人们关注的问题。

因此，有必要寻找高效且性能良好的合适方法来消除这些有毒金属，已经做了许多努力来减少和消除重金属，如化学沉淀、离子交换、反渗透、膜处理、蒸发、溶剂萃取和吸附。镉、汞、砷、镍、铅和镉

与其他方法相比，吸附法在初始成本、废水的再利用、设计的简单性和灵活性、容易操作、对污染物和有毒化合物不敏感以及没有自由基方面受到了更多的关注。

纳米粒子吸附金属是一种环境友好的技术，近年来被研究作为从水和废水中去除有机污染物和重金属离子的有效试剂。

纳米粒子在吸附中广泛使用的原因包括高比表面积、更多的活性位点、高吸附效率、高反应性和纳米粒子在水溶液中的分散能力。

KCC-1 (KAUST催化中心)是一种介孔二氧化硅，其具有球形纤维形态和蒲公英状结构，表现出优异的性能，例如高比表面积、纤维表面形态、高机械稳定性、良好的热和水热稳定性。

多孔二氧化硅的表面性质和磁性纳米粒子的磁性的结合可以实现具有多种功能的结构。

吸附剂磁化提供了一种利用外部磁场分离污染物的好方法，这种方法在回收和再利用、加速吸附过程、低污泥量和没有二次污染物方面具有成本效益。纤维状二氧化硅介孔是通过溶胶-凝胶法和正硅酸乙酯聚合合成的，并用磁性纳米粒子磁化。

因此，有必要使用有机或矿物材料来修饰表面和磁性粒子。二氧化硅是保护磁性纳米粒子最广泛使用的材料，涂有二氧化硅的磁性纳米粒子的表面是亲水的，并且容易用其他官能团修饰。

统计模型已被用于优化许多学科的各种过程。实验设计中使用的统计模型包括响应面方法,该方法用于优化所需响应受大量变量影响的过程。

通过这种方法，减少了实验次数和二次回归系数的可预测性，以及如何使用独立变量的影响来测量一个或多个响应之间的关系。该方法有四个主要步骤，包括:实验设计、模型拟合、模型验证和过程优化。

采用溶胶-凝胶法制备磁性纤维状二氧化硅介孔材料。这种材料具有高度有序的孔道结构和较大的比表面积，可提供大量的吸附位点。

使用响应面法进行优化，以确定最佳的操作条件和参数。在响应面法中，选择二价镉离子的去除率作为响应变量，考虑以下影响因素：溶液pH值、初始镉离子浓度、吸附时间和材料用量。

通过设计一系列实验，收集相应的数据，并应用响应面法分析这些数据。通过回归分析，建立了二价镉离子去除率与操作条件之间的数学模型。

使用该数学模型，确定了最佳操作条件，以达到最高的二价镉离子去除率。此优化过程可提高去除效率，并最大程度地利用磁性纤维状二氧化硅介孔的吸附能力。

本研究的主要目的是研究合成的磁性纤维状介孔二氧化硅作为一种新型吸附剂对水溶液中二价镉 (离子的吸附效率，并利用响应面法确定最佳吸附条件。

«——【·实验相关·】——»

这项工作中使用的化学材料，包括氧化铁，氧化铁，乙醇、氢氧化钠、硝酸镉、氨、原硅酸四乙酯、十六烷基三甲基溴化铵、氯化钠、盐酸、环己烷和尿素购自德国的默克公司。

所有使用的试剂都是分析级的，溶液用去离子水制备。去离子水通过用于药物纯化水的装置获得。

从1000毫克升制备所需浓度的镉溶液−1镉储存溶液，其通过将硝酸镉溶解在蒸馏水中而制备。使用硝酸调节溶液的pH值和氢氧化钠。

溶液中镉的浓度通过WFX-210原子吸收光谱(瑞利模型)读取。在吸附过程之后，通过离心仪器从溶液中分离吸附剂。粉末X射线衍射光谱是通过最大2400衍射仪使用Cu-Ka辐射获得的。

使用铁通过共沉淀合成氧化铁纳米颗粒2+和铁3+在基础媒体中。摩尔比为2∶1的16毫摩尔氧化铁(I和8毫摩尔氧化铁(与200毫升蒸馏水在90℃下在氮气存在下在3000 rpm下混合30分钟。

加入大约150毫升氨水溶液一滴一滴地加入，只要pH在9至10的范围内保持恒定。在加入氨的过程中，溶液的颜色逐渐从橙色变为棕色，然后变为黑色，表明形成了铁3O4纳米粒子。

为此，将0.1 g氧化铁纳米颗粒分散在作为溶剂的80 mL乙醇和20 mL水以及作为催化剂的0.5mL 28%氨的混合物中，超声30分钟，然后搅拌15分钟。

然后在搅拌下滴加0.1 g原硅酸四乙酯作为前体。溶液在室温下置于强力灭菌器下12小时。

实验采用批量吸附实验研究了铁对水溶液中二价镉的吸附，实验在100毫升锥形瓶中进行，该锥形瓶含有50毫升已知浓度的二价镉溶液和所需量的吸附剂。

在与吸附剂混合之前，通过添加0.1毫升氢氧化钠或0.1 毫升硝酸将每种镉(溶液的pH值调节至所需值为3。在典型的实验中，镉的斯托克溶液并通过用去离子水稀释它们来获得其它溶液的浓度。

机械搅拌混合物以达到平衡，之后，通过使用磁体的磁分离从溶液中取出吸附剂，并使用WFX-210原子吸收光谱仪(瑞利型)测量溶液中金属离子的残留浓度。

«——【·结果·】——»

铁的红外光谱记录结果显示纤维状二氧化硅壳的存在可以通过其在1089厘米的特征谱带得到证实。

铁的红外光谱大约3431厘米的宽带，其是由于自由水分子、表面上的硅烷醇基或吸附水分子的O-H伸缩振动。此外，峰值在1631厘米–1归因于氢氧氢弯曲振动。峰值出现在565厘米处是由于Fe-O伸缩振动，这与磁铁矿。

铁的形貌和粒度进行了扫描电子显微镜研究，所制备的铁的标准电子组件图像可以看出其具有单分散和均匀形状的放射状纤维结构的球体。这种纤维结构有助于质量传递，并增加活性部位的可及性。

正态概率图是一种比较数据集和正态分布的图形工具。它可以与线性回归模型的标准化残差一起使用。正态概率与学生化残差图显示可以用于二价镉2+从水溶液中去除。

预测废水处理中污染物的去除率对于理解吸附反应的机理和反应途径是重要的。用准一级和准二级动力学模型描述了铁对二价镉的吸附动力学3O4@SiO2@KCC-1吸附剂。

在污染物的去除中，需要解吸二价镉离子并重复使用吸附剂用于其他连续的循环，以开发成本有效的技术。

为此，将1.0克吸附剂加入到100毫升1摩尔的硝酸的溶液并搅拌30分钟。然后，过滤溶液，并测定溶液中残留的镉浓度。

本项目中测试的模型的适用性已针对真实样本，实验使用饮用水和添加了不同量的二价镉的工业废水样品进行并在优化条件下按照一般程序进行处理。结果表明，随着镉浓度的增加，去除效率值降低。

通过实验设计和统计分析，得出了最佳工艺条件。在优化的工艺条件下，磁性纤维状二氧化硅介孔材料能够实现高效选择性地去除二价镉离子。通过表面吸附等机制，该材料还展现出良好的重复使用性能和稳定性。

事实上，每种吸附剂对于污染物的吸附都具有有限数量的活性吸附位点。在更高的浓度下，去除效率降低，因为吸附剂表面上的这些活性位点被污染物饱和。结果显示了理想的去除率，证实了为实际样品提出的吸附剂的优异性能。

«——【·笔者认为·】——»

在这项研究中，Fe3O4@SiO2@KCC-1作为一种有效的吸附剂用于去除镉离子，并通过不同的技术如傅里叶变换红外光谱学、X射线衍射、平衡发射极晶体管、标准电子组件、透射电子显微镜和振动样品磁强计对吸附剂进行了表征。

本研究通过响应面法优化了磁性纤维状二氧化硅介孔体系，用于选择性和高效去除二价镉离子。

优化后的体系表现出卓越的去除性能，具有潜在的应用前景。进一步的研究可以探索该体系在其他重金属离子的去除中的应用，并对其吸附机制进行深入研究。

在响应面法下，利用 电荷耦合装置研究了不同参数对二价镉去除率的影响。朗缪尔和弗罗因德利克等温模型对平衡数据进行了研究，并用弗罗因德利克模型进行了很好的拟合。

利用朗缪尔模型，研究了铁对镉的最大吸附量3O4@SiO2@KCC-1为59.17毫克克−1在pH 6和吸附剂剂量为2g/L的条件下−1接触时间为60分钟。

这种吸附剂在除镉中的高吸附容量是由于其多孔结构和许多孔隙的存在。对动力学模型进行了研究，并用拟二级模型进行了很好的拟合。吸附剂吸附到吸附剂中的复杂机理是扩散到吸附剂中发生的途径。

这些路径可以被认为是物质通过的平行路径。当一种材料可以从几个平行的路径渗透时，扩散速率较高的路径总是会对转移过程产生较大的影响。扩散机制通常基于两种模型，“孔隙扩散”和“表面或固体扩散”模型，或这两种模型的组合。

在孔隙扩散模型中，孔隙扩散系数和在固体扩散模型中，固体表面扩散系数控制吸附速率，而在混合模型中，有效扩散系数是两者的函数。Fe的比较3O4@SiO2@KCC-1与文献报道的其他吸附剂显示了理想的吸附剂吸附容量。

结果表明，Fe3O4@SiO2@KCC-1可以作为从水溶液中去除二价镉的简单吸附剂。该吸附剂具有操作简单、高效、经济等优点，是去除水溶液中二价镉的理想吸附剂。

«——【·参考文献·】——»