聚乙烯亚胺/聚丙烯酰胺共聚物在废水吸附镉离子方面的性能评估

《Journal of Water Process Engineering》：Performance assessment of polyethyleneimine/polyacrylamide copolymer for the adsorption of cadmium ions from wastewater

本研究通过制备聚乙烯亚胺/聚丙烯酰胺（PEI/PAM）共聚物吸附剂，显著提升了对镉离子（Cd2?）的吸附能力。实验表明，该吸附剂在最优条件（298 K，pH 5.5）下对70 mg/L Cd2?溶液的吸附容量达169.91 mg/g，吸附过程符合伪一级动力学和Langmuir等温模型，且热力学分析显示为自发放热过程。经1.1 M NaCl再生后，吸附剂可循环使用8次仍保持高效吸附性能，SEM、XRD等表征证实其表面富含活性位点并形成稳定吸附结构。

　　在当前的环境问题中，重金属污染尤其值得关注。其中，镉离子（Cd2?）因其对生态系统的潜在危害以及对环境的破坏性，成为亟需解决的关键污染物之一。镉是一种有毒且难以降解的重金属元素，其在水体中的溶解性较强，容易在环境中扩散，进而影响人类健康和生物体的正常生长。因此，如何高效、经济地从工业废水和污水中去除镉离子，成为环境工程领域的重要研究课题。

近年来，吸附技术因其操作简便、成本较低、易于扩大规模以及广泛的应用性，成为去除重金属污染的首选方法之一。吸附材料的选择直接影响吸附效果，而开发新型高效的吸附材料成为研究的热点。PEI（聚乙烯亚胺）和PAM（聚丙烯酰胺）作为两种常见的高分子材料，因其丰富的官能团和良好的物理化学性质，被广泛应用于吸附研究。然而，PAM本身的吸附能力有限，因此，通过改性手段提高其吸附性能成为研究的重点。PEI作为一种含氮官能团丰富的聚合物，具有较高的金属离子结合能力，将其与PAM结合形成复合材料，有望显著提升对镉离子的吸附效果。

本研究中，科学家通过合成PEI/PAM复合材料，成功提升了对镉离子的吸附能力。该复合材料不仅在结构上具有多孔性和较大的比表面积，而且在表面官能团的分布上也更具多样性，从而增强了其对镉离子的结合能力。在实验中，研究人员采用了多种分析手段，包括扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、能量色散光谱（EDS）、热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）、BET比表面积分析、X射线光电子能谱（XPS）以及Zeta电位测定等，全面评估了PEI/PAM复合材料的物理化学性质及其吸附机制。

通过这些分析手段，研究人员发现PEI/PAM复合材料在吸附镉离子的过程中表现出优异的性能。其吸附容量达到了169.91 mg/g，远高于传统吸附材料的吸附能力。此外，该复合材料在吸附过程中表现出良好的热力学特性，包括放热性和自发性，说明其吸附过程具有较高的稳定性。同时，该材料在吸附后还能通过1.1 M的NaCl溶液实现镉离子的有效解吸，证明其具备良好的可再生性。经过八次吸附-解吸循环后，该材料仍能保持较高的吸附效率，显示出良好的重复使用性能。

除了吸附能力的提升，PEI/PAM复合材料在实际应用中的表现也值得关注。实验结果显示，在初始镉离子浓度为70 mg/l的条件下，使用0.1 g的PEI/PAM复合材料，在298 K和pH 5.5的环境中，经过70分钟的吸附反应，能够有效去除水中的镉离子。这一结果表明，该材料在实际废水处理过程中具有良好的适用性。此外，研究人员还对PEI/PAM复合材料在不同pH值和吸附剂量下的性能进行了评估，进一步验证了其在多种条件下的稳定性和适应性。

为了进一步提高吸附材料的性能，科学家还对PEI/PAM复合材料的吸附等温线和动力学行为进行了研究。结果表明，该材料的吸附行为符合Langmuir等温模型，说明其吸附过程具有单层吸附的特性。同时，吸附动力学符合伪一级动力学模型，表明吸附过程在初期较为迅速，但随着时间的推移逐渐趋于平衡。这些结果为PEI/PAM复合材料在实际废水处理中的应用提供了理论支持。

除了对镉离子的吸附性能，研究人员还探讨了PEI/PAM复合材料在与其他重金属离子共存情况下的选择性。结果显示，该材料在吸附镉离子的同时，对其他重金属离子的吸附能力相对较弱，表现出良好的选择性。这说明PEI/PAM复合材料在实际应用中能够有效区分目标污染物，从而提高废水处理的效率和准确性。

此外，为了进一步验证PEI/PAM复合材料的吸附效果，研究人员还进行了多种实验分析。其中包括对吸附材料的表面形态、化学结构以及元素组成进行详细研究。通过SEM图像，可以观察到PEI/PAM复合材料具有丰富的孔隙结构，这有助于提高其吸附能力。FTIR光谱分析则揭示了PEI和PAM之间的化学结合，以及其表面官能团的分布情况。EDS分析进一步确认了吸附材料中镉离子的分布和结合情况，而XPS分析则提供了更详细的电子结构信息，有助于理解吸附过程中的化学相互作用。

为了确保吸附材料的稳定性和安全性，研究人员还对PEI/PAM复合材料的热稳定性进行了评估。通过TGA分析，可以确定该材料在高温下的热分解行为，从而确保其在实际应用中的耐久性。BET比表面积分析则提供了该材料的孔隙结构和比表面积信息，有助于理解其吸附能力的来源。Zeta电位测定则用于评估该材料在水中的表面电荷特性，从而判断其与镉离子之间的相互作用机制。

在实际应用中，PEI/PAM复合材料不仅能够有效去除水中的镉离子，还能通过适当的解吸条件实现镉离子的回收。实验结果显示，使用1.1 M的NaCl溶液，以1:30的固液比进行解吸，能够在80分钟内实现镉离子的有效解吸。这一结果表明，该材料在吸附后仍能保持较高的解吸效率，从而实现吸附材料的循环使用。经过八次吸附-解吸循环后，该材料仍能保持较高的吸附性能，显示出良好的可再生性。

此外，研究人员还对PEI/PAM复合材料的环境友好性进行了评估。通过分析其合成过程和使用过程中的环境影响，发现该材料在合成过程中使用了相对环保的试剂，且在使用过程中不会产生有害物质，从而符合绿色化学的要求。这使得PEI/PAM复合材料在实际应用中不仅具备高效的吸附能力，还能满足环保和可持续发展的需求。

综上所述，PEI/PAM复合材料作为一种新型的吸附材料，在去除水中的镉离子方面表现出优异的性能。其高吸附容量、良好的选择性、可再生性以及环境友好性，使其在实际废水处理中具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步优化该材料的合成工艺，提高其吸附效率，并探索其在其他重金属离子去除中的应用潜力。通过不断改进和创新，PEI/PAM复合材料有望成为解决重金属污染问题的重要工具之一。