Page 188 - 《精细化工》2022年第11期

·2338· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

group and the anion, and the coordination between the tail chain and As(Ⅴ) and As(Ⅲ). The cycle
experiments were carried out with As(Ⅴ) with high removal efficiency, after five adsorption-desorption
cycles, the adsorption rate of As(Ⅴ) by Fe 3O 4@surfactants was still maintained at about 85%, and the
recovery of nanoparticles were all above 90%.
Key words: arsenic; magnetic nanoparticles; surfactants; adsorption process; water treatment technology

[1]
水体砷污染一直是不容忽视的环境问题之一 。 面产生正电荷，可去除水中带阴离子的污染物 [29-30] 。
存在于水溶液中的砷以含氧酸根阴离子的砷酸盐 HU 等 [31] 利用 CTAB 为软模板，制备了对 As(Ⅴ)和
〔As(Ⅴ)〕和亚砷酸盐〔As(Ⅲ)〕为主，As(Ⅲ)毒性 Cr(Ⅵ)均具有良好吸附去除能力的花状 Fe 3 O 4 纳米
较大且更难去除 [2-3] 。As(Ⅴ)和 As(Ⅲ)一旦进入人体， 颗粒。此外，研究表明，在纳米颗粒表面包覆 CTAB
会积累在头发、指甲、骨骼和脏器中，影响细胞正 可以极大地抑制纳米颗粒的聚集 [32-33] 。因此，利用
常代谢，引起组织损伤和机体功能紊乱，甚至直接 与 CTAB 结构类似的阳离子表面活性剂修饰，有利
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导致死亡 。因此，世界卫生组织（WHO）限制饮 于得到稳定的 Fe 3 O 4 纳米颗粒并且有望提高对砷的
[5]
用水中总砷的最高质量浓度为 10 μg/L 。 去除能力。
目前，对于水中砷离子处理的方法主要有生物 然而，目前部分研究主要使用最基本的只含单
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修复法 、离子交换法 、膜过滤法 、吸附法 [9-11] 链条单头基的阳离子表面活性剂 CTAB 修饰 Fe 3 O 4
等。与其他方法相比，吸附法因成本低、效益高、 纳米颗粒对重金属进行吸附，利用其他构型的阳离
操作简单、工艺环境友好等特点，被认为是最有效 子表面活性剂修饰的 Fe 3 O 4 纳米颗粒对砷离子的吸
的砷离子去除方法。更重要的是，当吸附完成后， 附行为鲜见报道，并且对 As(Ⅴ)或 As(Ⅲ)的吸附能
吸附剂达到饱和状态，可将吸附剂与水体分离进行 力仍有待验证，其可能的去除机制尚不明确。基于
再生处理，在防止产生二次污染的同时又对吸附剂 此，本研究试图利用 3 种不同构型但都含有季铵盐
进行二次利用，节约了成本 [12] 。 官能团的阳离子表面活性剂修饰 Fe 3 O 4 纳米颗粒，
用于吸附砷离子的材料有很多，如活性炭 [13-14] 、 得到 Fe 3 O 4 基磁性纳米颗粒（Fe 3 O 4 @surfactants）。
类水滑石化合物 [15] 和活性氧化铝等 [16] ，但都因吸附 利用季铵官能团的静电或者配位作用，以此来探讨
能力差、分离困难等缺点限制了它们的实际应用 [17] 。 Fe 3 O 4 @surfactants 对砷离子的吸附能力。所采用的
近年来，具有高比表面积、优异的反应活性和丰富 3 种阳离子表面活性剂分别为单链条单头基结构的
的吸附位点等潜在的砷离子吸附特性的纳米吸附材 带有 1 个季铵盐官能团和 1 条疏水链的十六烷基三
料受到越来越多的关注 [18-20] 。其中，Fe 3 O 4 纳米颗粒 甲基溴化铵（CTAB）、双链条双头基结构的带有两
具有超顺磁性，在外加磁场作用下易于从水体系中 个季铵盐官能团和两条疏水链的二亚甲基-1,2-二(N-
分离出来，具有较好的砷离子去除性能 [21] 。然而， 十二烷基-N,N-二甲基溴化铵)(Gemini 12-2-12)、单
表面无修饰的 Fe 3 O 4 纳米颗粒自身具有较高的化学 链条双头基结构的带有两个季铵盐官能团和 1 条疏水
活性，在空气中极易被氧化成无磁性的材料，丧失 链的癸烷-1,10-双(三甲基溴化铵)（Bola）。采用 XRD、
了分散性 [22-23] 。为了克服这些缺陷，需要对其进行 TEM、FTIR 和 VSM 等分析了 Fe 3O 4@surfactants 的形
表面官能团修饰，以达到防止氧化的目的。 貌特征，并探究了不同构型并含有不同数量的尾链和
研究表明，表面活性剂通过溶解和配体交换作 带电头基的阳离子表面活性剂修饰的 Fe 3 O 4 纳米颗
用在去除重金属污染方面很有效 [24-26] 。表面电荷则 粒对 As(Ⅴ)和 As(Ⅲ)的吸附效果及吸附机制的影
是表面活性剂应用过程中的决定因素，未经修饰的 响，对其应用在含砷废水处理方面提供新思路。
Fe 3 O 4 纳米颗粒表面电荷为中性 [27] ，采用阴离子表
面活性剂修饰 Fe 3 O 4 纳米颗粒时，阴离子含有的负 1 实验部分
电基团与纳米颗粒表面相互作用，如十二烷基硫酸 1.1 试剂与仪器
钠（SDS）使纳米颗粒表面携带负电荷，在颗粒表 十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），AR，美国
面形成双电层结构，利于吸附含阳离子的污染物。 Sigma-Aldrich 公司；癸烷-1,10-双(三甲基溴化铵)
黄文等 [28] 制备的 Fe 3O 4@SDS 纳米颗粒对 Cd(Ⅱ)和 （Bola），AR，日本 TCI 公司；N, N, N′, N′-四甲基
Zn(Ⅱ)的最大吸附量分别为 22.42 和 13.95 mg/g，具 乙二胺（TMEDA）、1-溴十二烷（C 12 H 25 Br），AR，
有较好的去除 Cd(Ⅱ)和 Zn(Ⅱ)的效果。使用十六烷基 美国 Alfa Aesar 公司；六水合氯化铁（FeCl 3 •6H 2 O）、
三甲基溴化铵（CTAB）改性 Fe 3O 4，导致纳米颗粒表 七水合硫酸亚铁（FeSO 4 •7H 2 O）、氨水（NH 3 •H 2 O），