1 引言(Introduction)

　　近些年, 工業(yè)化的快速發(fā)展使得環(huán)境問題尤其是水污染問題日益嚴(yán)峻.其中, 重金屬污染是引起水污染的最重要因素之一.水體中的重金屬離子在痕量水平即表現(xiàn)出高的毒性及致癌性, 其可通過食物鏈的富集作用蓄積于動(dòng)物體內(nèi)造成持久性的危害, 并誘發(fā)多種疾病.而探究水體中重金屬的去除是保障用水安全及提高水資源重復(fù)利用性的有效手段.

　　我國(guó)水體主要污染重金屬離子包括鎘(Cd)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、砷(As)等, 其中, Cd(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)具有極高的毒性.水體中重金屬的去除方法主要有化學(xué)沉淀法、離子交換法、膜分離法、吸附法等, 其中, 吸附法由于高效、成本低、操作簡(jiǎn)便而倍受關(guān)注.Wu等(2000)和Zan等(2006)報(bào)道了利用液膜吸附重金屬離子并同時(shí)合成納米粒子, 去除重金屬離子的同時(shí)“變廢為寶”.Ge等(2013)研究發(fā)現(xiàn), Al2O3納米粒子對(duì)水溶液中的Cr(Ⅵ)具有良好的吸附性能, 吸附率可達(dá)90%.然而, 在吸附完成后, 微小尺寸的金屬氧化物顆粒很難回收, 常會(huì)損失甚至帶來新的污染.將Al2O3等納米粒子固定化于羥磷灰石、蒙脫土、殼聚糖等材料上可有效解決上述問題, 但有機(jī)載體在吸附劑再生過程中容易發(fā)生不可逆分解而造成納米粒子的損失, 這限制了這些材料的實(shí)際應(yīng)用.316L多孔不銹鋼(PSS, 022Cr17Ni12Mo2)是一種多孔、機(jī)械強(qiáng)度高的膜管, 是較為理想的金屬氧化物納米粒子固定化載體.本研究擬通過水熱法合成Al2O3納米粒子并利用懸浮粒子浸涂法將其固定于316L PSS上, 以制備多孔不銹鋼基氧化鋁膜.同時(shí), 以該膜為吸附劑, 探討其對(duì)水溶液中Cr(Ⅵ)和Cd(Ⅱ)的吸附性能.

　　2 試驗(yàn)部分(Experiment part)2.1 儀器與試劑

　　儀器：場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM, JEOL S-4800, 日本日立公司), X射線衍射儀(D/MAX-3C, 日本理光公司), 中空纖維膜小試設(shè)備(HFM-0530, 廈門世達(dá)膜科技有限公司), 石墨爐原子吸收儀(AAS-9000, 江蘇天瑞儀器股份有限公司), 高速離心機(jī)(ZONKIA, HC-3018, 安徽中科中佳公司).試驗(yàn)材料為自制的γ-Al2O3納米粒子和316L多孔不銹鋼(鋼牌號(hào)：022Cr17Ni12Mo2, 孔徑1 μm, 長(zhǎng)30 cm, 內(nèi)徑8 mm, 外徑12 mm).

　　試劑：偏鋁酸鈉(NaAlO2)、尿素(CON2H4)、硝酸鉀(KNO3)、無水乙醇(C2H5OH)均為分析純, 聚乙二醇(PEG 2000)、聚丙烯酸鈉(PAAS 20M)均為化學(xué)純, 所有試劑購(gòu)自天津科密歐化學(xué)試劑廠;試驗(yàn)用水為去離子水.

　　2.2 試驗(yàn)方法

　　將316L PSS依次用0.1 mol·L-1 NaOH、HNO3溶液超聲清洗10 min, 再用去離子水洗至中性, 最后用無水乙醇超聲清洗5 min, 晾干后備用.按文獻(xiàn)(Zhang et al., 2016)的方法制備γ-Al2O3粉體.具體方法為：將一定量的偏鋁酸鈉、尿素、聚丙烯酸鈉依次加入50 mL去離子水中, 攪拌30 min后倒入不銹鋼水熱反應(yīng)釜中于烘箱內(nèi)140 ℃反應(yīng)10 h, 結(jié)束后取出產(chǎn)物洗凈并真空干燥12 h, 之后將干燥得到的白色粉末置于馬弗爐中于500 ℃煅燒3 h獲得γ-Al2O3粉體;其次, 取一定量聚乙二醇于1000 mL去離子水中, 配成分散液并加入2 g γ-Al2O3粉體(聚乙二醇與γ-Al2O3的質(zhì)量比為1:7.9), 用KNO3調(diào)節(jié)溶液粒子強(qiáng)度為C(KNO3)=1 mmol·L-1, 再用0.1 mol·L-1的NaOH和0.1 mol·L-1的HNO3溶液調(diào)節(jié)懸浮液pH值為7.0.懸浮液于室溫下超聲分散15 min后通過懸浮粒子浸涂法涂覆在多孔不銹鋼基體上, 最后于400 ℃燒結(jié)3 h.燒結(jié)程序?yàn)椋?50 ℃保溫1 h, 400 ℃保溫3 h, 為防止升溫過快造成氧化鋁膜開裂, 燒結(jié)升溫過程的升溫速率為1 ℃·min-1, 燒結(jié)完后隨爐冷卻.

　　2.3 吸附試驗(yàn)

　　利用經(jīng)典批處理研究膜的吸附性能.將多孔不銹鋼基氧化鋁膜組件連接到中空纖維膜小試設(shè)備后, 于定壓條件(0.1 MPa)下進(jìn)行吸附操作.所有試驗(yàn)重復(fù)3次.

　　設(shè)定溫度為室溫, Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)的初始濃度均為5 mg·L-1, 吸附時(shí)間為8 h, 在此條件下探討溶液初始pH對(duì)吸附量的影響, 其中, Cr(Ⅵ)的初始pH值為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0.Cd(Ⅱ)為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0.設(shè)定Cr(Ⅵ)和Cd(Ⅱ)的初始濃度分別為2、5、10、20 mg·L-1、初始pH為最佳吸附pH, 探討吸附時(shí)間(0、1、5、10、15、20、80、100、120、140、210、270、360、480 min)對(duì)吸附量的影響, 繪制動(dòng)力學(xué)吸附曲線并獲得擬合模型.在最佳吸附pH、室溫、吸附時(shí)間8 h的條件下, 探討Cr(Ⅵ)和Cd(Ⅱ)的初始濃度(0、5、10、15、20、25、30、40 mg·L-1)對(duì)吸附量的影響, 繪制吸附等溫線并獲得擬合模型.Cr(Ⅵ)和Cd(Ⅱ)的濃度采用石墨爐原子吸收法測(cè)定.所有試驗(yàn)重復(fù)3次.

　　吸附量采用式(1) 計(jì)算, 吸附百分率r采用式(2) 計(jì)算.吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)利用準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型(Ho et al., 1999)進(jìn)行擬合, 其方程見公式(3)、(4).吸附熱力學(xué)數(shù)據(jù)利用Langmuir(Langmuir, 1918)、Freundlich(Freundlich et al., 1939)吸附等溫線模型擬合, 其方程分別見式(5)、(6).