共聚物介孔氧化铝硅的合成及其吸附应用

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Synthesis of Copolymer mesoporous aluminosilica and sorption application

铅离子吸附材料MAS-G的制备及其性能研究。采用Pluronic P123模板法制备介孔Al?O?-SiO?复合颗粒，通过表面修饰提高对Pb2?的选择性吸附。实验表明，在pH6、接触5小时后达到最大吸附容量12.8mg/g，去除率达98.97%。吸附机制符合Weber-Morris动力学和Sips等温模型，表面异质性及电双层扩散起主要作用。热力学分析显示吸附为放热物理吸附过程。盐酸为最佳洗脱剂，材料经10次吸附-脱附循环后仍保持高稳定性。

　　

Mohamed A. Mahmoud

沙特阿拉伯贾赞大学工程与计算机科学学院化学工程系，贾赞

摘要

本文提出了一种新型的共聚物改性介孔氧化铝颗粒（MAS-G）合成方法，用于去除饮用水中的Pb(II)离子。该吸附剂的平衡吸附容量为12.8 mg/g，去除效率达98.97%，在pH 6的条件下5小时后达到吸附平衡。根据Weber-Morris扩散模型和Sips等温线模型，吸附剂的表面具有异质性，其吸附性能受Pb(II)离子在双电层中的分布以及介孔内的扩散过程的影响，这些模型与实验结果吻合良好。热力学分析表明该物理吸附过程为放热反应。HCl是最佳的洗脱剂，可有效洗脱Pb(II)离子（去除效率为99.3%），且MAS-G材料可重复使用10次吸附/脱附循环。

引言

在过去十年中，微孔和介孔材料受到了广泛关注[1]。由于介孔材料具有均匀的孔结构（孔径范围从几纳米到几十纳米）以及在水溶液中的热稳定性[2][3][4]，因此它们被期待应用于多种领域。通常通过使用嵌段共聚物两亲剂与无机前驱体（如TMOS和铝盐）进行直接模板导向合成来制备有序的3D介孔结构[5][6]。近年来，人们通过改变表面活性剂类型、添加剂、合成条件及物理方法[7][8][9][10]，致力于开发具有可调控几何形状、介孔结构和特定功能的层次化材料。

当表面活性剂的浓度超过其临界胶束浓度时，可以制备出有序的多孔材料。当嵌段共聚物两亲剂的使用比例超过20%时，介孔结构的形成会受到定向控制[11][12]。流体晶体模板技术可用于制备形状一致的中孔材料。这些嵌段共聚物与无机前驱体结合后形成氧化铝介质，经煅烧处理后可得到具有介孔尺寸分布和高度有序结构的材料[13][14]。然而，氧化铝表面的酸度对其应用性能有显著影响。氧化铝的酸性源于硅酸盐晶格中Al³⁺原子替代Si⁴⁺原子所导致的电荷不平衡[15]。虽然理论上铝含量高的氧化铝结构应具有更高的酸性，但实际上低Si/Al比例会降低其有序性和热稳定性[16]。此外，混合不同材料可以制备出具有优异性能的新多功能材料[17]。

工业废水中含有多种有害金属离子，尤其是铅，这些离子对环境和生物系统构成严重威胁[18]。铅的主要来源包括矿山废水、自然过程、电池生产、冶金合金工艺、颜料制造、电镀以及金属抛光产生的工业废物[19]。由于铅离子（Pb²⁺）可通过家庭管道系统溶解进入饮用水，其在水中的危害尤为严重，这些离子存在于管道、焊料和住宅连接处[20][21][22]。铅离子（Pb(II)）的污染会导致严重的健康问题（如神经毒性和肾脏损伤），即使浓度很低也是如此。本文将介孔材料的较大比表面积和孔隙率与有机共聚物的多功能性相结合，提出了一种新型的共聚物改性介孔氧化铝合成方法。这种复合结构显著提升了材料对重金属离子（尤其是Pb(II)）的亲和力和选择性。文章详细研究了吸附机制、吸附动力学及等温线行为，并评估了材料的重复使用性能。

部分内容摘录

化学品

由于所有使用的化学品均为市售的合格产品，因此无需额外处理。Pluronic P123共聚物（由聚环氧乙烷、Al(NO₃)₃.9H₂O和四甲基正硅酸盐（TMOS）组成）由Sigma-Aldrich公司（美国）提供。Wako Pure Chemicals公司（位于日本大阪）还提供PbCl₂标准金属离子溶液。

MAS-G的合成

氧化铝颗粒的制备采用了一种基于特定方法的透明聚合技术

MAS-G的特性

扫描电子显微镜（SEM）图像（图1a）展示了所制备的微米级高孔隙氧化铝颗粒的实际应用效果，从相组成和制备时间来看，该材料能有效去除Pb²⁺离子。

使用JEOL JEM 2100F型透射电子显微镜进行高分辨率观察，加速电压为200 kV，以实现0.1 nm的晶格分辨率。

MAS-G的重复使用性

MAS-G作为经济高效的吸附剂的主要优势在于其能够经受多次吸附和脱附循环，体现了其耐用性、稳定性和可重复使用性，从而适用于实际应用。通过使用不同的试剂研究了从MAS-G材料中脱附Pb(II)离子的最佳方法。

结论

MAS-G是一种优异的Pb(II)离子吸附材料，在pH 6条件下5小时内即可达到吸附平衡（吸附容量12.8 mg/g，去除效率98.97%）。Sips等温线模型表明MAS-G表面具有异质性，这一特性与其吸附性能相符。实验结果证实了该吸附剂对Pb(II)离子的优异选择性。

数据来源声明

本研究使用的数据已包含在文章中

利益冲突

作者声明不存在利益冲突

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突

致谢

作者感谢沙特阿拉伯贾赞大学研究生院和科学研究处的资助，项目编号：JU-202503201 -DGSSR- RP -2025