A Highly Expanded Polycarboxylate Gel and New Environmental Response Effects for Efficiently Adsorbing and Recovering Cu(II) from Water

Abstract

A new highly expanded polycarboxylate gel (EPCG) was accidentally formed in a facile cross-linking copolymerization system. When used as an adsorbent material, the EPCG could be quickly expanded 29.44 times in water to have a high permeability inside for realizing the efficient adsorption toward Cu(II) from water. The adsorption capacity of EPCG toward Cu(II) was 261.70 mg/g, which was higher than that of all the selected existing adsorbents reported in recent years. The adsorption rate of expanded EPCG was 3.61 times higher than that of the previous polyantionic gel. Similarly, due to the high expansion and high permeability of EPCG, the EPCG skeleton could be further coated with an alkaline NaOH, forming a novel NaOH-coated EPCG material, and its adsorption capacity toward Cu(II) was further improved to 333.21 mg/g compared to that of pure EPCG adsorbent. Moreover, the EPCG wastes after adsorbing Cu(II) could be fully desorbed to be regenerated for reuse. A total of 99.39% of the adsorbed Cu(II) was desorbed from EPCG wastes to be recovered. The adsorption capacity of regenerated EPCG reused for adsorbing Cu(II) was 259.05 mg/g, which was very near that of the original EPCG. In addition, a series of simulation experiments and instrumental analysis were adopted to confirm the new environmental response effects as the key factors in the purification of Cu(II)-containing wastewater, including "expansion-shrink," "alkali-coating," and "acid-desorption" responses.

Learning Strategies of Instrumental Analysis: Literature Research and Participation in Scientific Research

“…(3) 原子吸收光谱分析法在实际工作中干扰效应严重； (4) 原子吸收光谱定量分析方法有标准曲线法和标准加入法。 为了更加熟练地掌握这部分内容，计划由科研课题介入，明确具体任务如下： 任务一：认识原子吸收分光光度计及其基本操作； 任务二：工作曲线法和标准加入法定量； 任务三：原子吸收法应用(火焰法测定水中微量Cu)； 任务四：原子吸收分光光度计日常维护与保养。 1.2.2 具体实验示例 教学过程中，通过水凝胶对Cu 2+ 吸附的课题，让学生自己动手，深刻理解原子吸收分光光度计 的工作原理。 该研究由学生感兴趣的水凝胶入手。水凝胶近年来成为研究热点，它是一种由亲水性高分子链 通过化学或物理交联形成的具有三维空间网状结构的典型软、湿材料 [14] 。水凝胶由于其亲水性、溶 胀性和吸附性等特点在污水处理领域日益受到关注。重金属废水造成了严重的环境污染和公众健康 问题，Cu(II)被认为是许多工业废水中最常见的重金属污染物之一，来源于印刷电路、油漆、铜抛光、 电镀、采矿、冶炼、石油提炼、金属清洗、化肥、电池等，含铜废水的排放不仅会对水环境造成严 重污染，还会对肝脏和心脏造成损害，甚至导致癌症。世界卫生组织和美国环境保护局规定，饮用 水中的铜浓度分别不应该超过1.5和1.3 mg•L −1 [15] 。重金属废水的处理方法有吸附法、化学沉淀法、 离子交换法、溶剂萃取法、膜过滤法等 [16] 。其中吸附法 [17] 是重金属废水处理中应用最广泛、最简单 的方法之一，其关键是吸附材料的选择。目前可用于吸附水中Cu(II)的吸附剂材料 [18] 主要有无机吸附 剂、有机吸附剂和天然改性吸附剂等，水凝胶因其吸附优势备受关注。水凝胶的吸附机理是吸附质 与水凝胶的活性螯合官能团相互作用的结果，为了提高对重金属离子的吸附能力，水凝胶吸附剂通 常是与各种金属螯合官能团共聚或接枝，与重金属形成配位键。 玉米是研究较多的一种生物质基吸附剂 [19,20] 原料， 果胶 [21] 、 海藻酸钠 [22] 是一类多糖类生物材料， 可以与多种二价阳离子或小分子交联剂发生交联作用形成三维网络结构的水凝胶，在环境治理技术 方面有广泛的应用，是近年来研究较多的重金属离子吸附材料。 基于以上材料的优点，以海藻酸钠与钙离子进行离子交联形成凝胶珠作为包埋材料，再加入膨化 玉米粉以及果胶，制备一种新型多孔膨化玉米复合水凝胶作为重金属离子吸附材料，以提高其对水体 中重金属离子的吸附作用。学生制备完材料后首先会想到怎样去考查它的吸附性能，这就涉及到了怎 样测定未知物中铜离子的浓度。所以首先进行Cu 2+ 溶液标准曲线的绘制(图4)，即配制一系列Cu 2+ 的标 准溶液，使用原子吸收分光光度计测其吸光度，绘制出Cu 2+ 溶液的标准曲线。在研究生的带领下，学 生可直接操作原子吸收分光光度计。在此期间进一步了解原理、仪器结构及操作等要点。 大 学 化 学 Univ. Chem.…”