Page 64 - 《精细化工》2020年第7期
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·1346· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 37 卷
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AlOH），而 Cu 、Cd 、Zn 和 Pb 带正电，它们 要作用不同，对重金属的固定作用通常是同时存在
之间可能会产生静电吸引。作者认为，重金属离子 的，并同时影响地质聚合物固定重金属的效果 [18] 。
在 GM/KGP 上的吸附机理是由物理吸附、化学吸附、 在地质聚合物的碱激发过程中，硅铝酸盐在碱
静电吸引和离子交换共同发挥作用。在 100 mL 工业 性溶液中溶解后，溶液中的低聚物通过脱水缩聚，
废水中使用 3 g GM/KGP 进行 3 h 处理后，工业废水 形成 N-A-S-H 凝胶。而重金属在此反应中被包裹在
中的金属离子被完全吸附。并且，其吸附率在 1 次 地质聚合物的结构中。GUO 等 [19] 使用浇筑法制备钙
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吸附-解吸循环后达到 87.4%，3 次吸附-解吸循环后 粉煤灰基地质聚合物并用其固定溶液中的 Pb 、
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仍有 33.4%，表明 GM/KGP 具有良好的再生性，能 Hg 和 Cr ，并进行了 16 d 的动态浸出实验。对于
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有效应用于重金属废水处理。 质量分数 0.025% Pb 、0.025% Cr 和 0.010% Hg 溶液
目前，地质聚合物作为重金属吸附材料效果较 28 d 的固定率分别高达 99.88%、98.04%和 99.98%，
好。大部分吸附实验都符合 Langmuir 等温线和准二 16 d 动态实时浸出质量浓度分别小于 1.1 μg/L、
级动力学方程 [14-16] ，说明地质聚合物对重金属离子 3.25 mg/L 和 4.0 μg/L。有效扩散系数也非常低，说
的吸附多为单分子层吸附，化学吸附占主导地位。 明该地质聚合物稳定性较好，其中固封的重金属长期
但大部分研究者将高吸附率归因于材料具有较大的 安全性好。他们认为，良好的固定效果主要来源于
比表面积和丰富的表面介孔结构这类物理吸附作 地质聚合物三维立体网状结构的物理包封作用和重
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用，而忽略了材料表面官能团的促进作用等化学吸 金属离子取代 Ca 和 Na 存在于无定形凝胶结构中的
附机理，并且对吸附后重金属离子的淋出和吸附剂 离子交换作用。
的再生性研究较少。 已知的可能参与地质聚合物固定化重金属的机
3.2 地质聚合物固定化重金属离子机理 理还有络合沉淀、电荷平衡、钝化和还原等。WANG
固定化的关键是降低重金属的可转化性和生物 等 [20] 用浇筑法制备粉煤灰基地质聚合物固定溶液中
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有效性 [17] 。研究人员选择地质聚合物作为固化体的 的 Pb 、Cd 、Cr 和 Mn 。静态浸出实验结果显
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原因是其具有耐高温、耐酸碱侵蚀性和稳定的结构。 示，对掺量为质量分数 3%的各种重金属离子（Pb 、
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地质聚合物对重金属的固化效果主要取决于物理包 Cd 、Cr 和 Mn ）28 d 的固定率都达 99.9%以上，
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封和化学键合作用，配位体中 Al 的取代和离子交 但未考察该材料的长期稳定性。FTIR 分析表明，在
换等作用也参与其中。在固定化过程中，不溶形式 地质聚合物中添加重金属离子会导致 Al—O 周围形
的重金属主要由地质聚合物进行物理包封。当金属为 成复杂的阳离子相互作用层，从而改变 Si—O—Si
溶解的离子形式时，主要在地质聚合物表面结构或 或 Al—O—Si 衍射峰。XDR 显示，添加重金属离子
介孔结构上发生化学键合或吸附。尽管几种效应的主 后，地质聚合物体系内发生的反应如图 6 所示。
图 6 重金属与地质聚合物固化反应机理 [21]
Fig. 6 Mechanism of solidification reaction between heavy metals and geopolymers [21]
