多孔不锈钢基铁氧化物膜去除苹果汁中Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的性能研究

摘要

近年来,随着我国经济的快速发展、城市化步伐的加快以及工农业化进程的不断推进,因工业废水、废渣和废气不合理排放及农药兽药滥用等原因所导致的环境重金属污染问题日益严重,农产品中重金属含量超标的问题在社会上引起了广泛关注.研究表明,砷(As)、铅(Pb)、镉(Cd)和铬(Cr)等重金属离子是我国苹果汁中可检出超标的重金属污染离子,这些离子进入人体后易在内脏积累危害人体健康.目前果汁行业常用吸附法解决重金属超标问题,因此亟需开发经济、绿色、高效同时不损害苹果汁品质的吸附材料来分离果汁与重金属离子.本研究探讨了在苹果汁酸性环境下多孔不锈钢基铁氧化物膜对Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的去除性能,主要研究结果如下. (1)研究了室温下该Fe3O4膜对苹果汁中单一存在的Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附性能,结果表明在苹果汁复杂体系下该膜对Pb(Ⅱ)的吸附率可达到约95%,但对Cd(Ⅱ)的吸附率仅有约28%.膜对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)吸附能力的差异可能是由离子电负性不同:Fe3O4膜的等电点(pHzpc)为8.08,较高的电负性使Fe3O4膜与重金属离子间具有更高的亲和力,因此与Cd(Ⅱ)相比电负性更强的Pb(Ⅱ)更易与金属氧化物表面上的O原子形成更强的共价键,促进膜对苹果汁中Pb(Ⅱ)的吸附.同时反应过程中苹果汁体系温度变化对该膜的吸附性能会产生一定影响,55℃时Fe3O4膜对苹果汁中Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附率可分别达到36.8%和98.9%,说明在该反应体系中适当升温可提高膜对Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附能力. (2)吸附过程中发现铁离子析出,最大析出量可达约713.0mg/L.这是由于吸附过程中Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)与Fe3O4膜上的Fe-O基团配位结合影响了Fe3O4晶体结构,导致膜稳定性降低.同时根据路易斯酸碱理论:拥有可以接受外来电子对空轨道的物质被认为是路易斯酸,且路易斯酸碱之间可以通过共价键相互作用,在膜与Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)相互作用过程中这两种重金属离子可作为路易斯酸是接受电子,促进膜上Fe离子析出.此外,随反应温度升高,苹果汁中的Fe离子含量逐步上升,55℃时可达713.5±3.1mg/L. (3)有机酸和糖类物质是浓缩苹果汁主要成分,其中有机酸成分主要有苹果酸、奎尼酸和柠檬酸,糖类物质主要包括果糖、葡萄糖和蔗糖.SEM与AAS结果表明这几种糖酸成分均对铁氧化物膜有不利影响.其中由于苹果汁中苹果酸含量较高(20g/L),其所造成的Fe离子析出量大于其他几种糖酸可达到763.0±18.7mg/L,但蔗糖几乎不会导致膜上Fe离子析出.整体而言,相比糖类物质,有机酸对膜稳定性具有更大影响.此外,SEM结果显示这些糖酸成分会造成膜孔的堵塞或腐蚀,其中蔗糖虽不会造成Fe离子析出,但会堵塞膜孔影响吸附效率. (4)苹果汁中含量较高的有机酸(苹果酸、奎尼酸、柠檬酸)和糖(果糖、葡萄糖)可导致铁氧化物膜上的Fe离子溶出的腐蚀机理为:苹果酸、奎尼酸、柠檬酸果糖和葡萄糖结构上的-OH具有一定的还原性,可将膜上Fe离子还原同时破坏Fe3O4晶体结构,最终导致e离子溶出.其中,游离在有机酸溶液中的Fe离子多以二价形态存在(XPS结果显示苹果酸、奎尼酸及柠檬酸中Fe(Ⅱ)的相对含量分别为77.6%、70.1%和56.3%),这些离子会与有机酸形成水溶性的络合物,相比之下,糖溶液中Fe离子大多以三价形态存在(果糖和葡萄糖溶液中Fe(Ⅱ)相对含量为45.9%和34.6%.此外,FTIR与XPS均未观察到与膜反应后的蔗糖溶液中Fe-O的存在,进一步证明蔗糖不是导致Fe3O4膜上Fe离子析出的原因,这是由于组成蔗糖分子的果糖和葡萄糖上的位点和基团在两者结合过程中消失或被占用,导致其失去还原Fe离子的能力.

目录

声明

第一章 引言

1.1.1 浓缩苹果汁产业规模

1.1.2 浓缩苹果汁的质量问题

1.2.1 浓缩苹果汁中重金属离子来源

1.2.2 重金属离子的危害

1.3 重金属离子去除研究进展

1.3.1 离子交换法

1.3.2 膜分离法

1.3.3 吸附法

1.4 铁氧化物去除重金属离子

1.4.1 铁氧化物去除重金属离子的机理

1.4.2 纳米铁氧化物去除重金属离子

1.4.3 纳米铁氧化物的改性及固定化

1.5 研究目的与意义

1.6 研究内容

1.7 技术路线

第二章 材料与方法

2.1 材料

2.2.1 原料和试剂

2.2.2 主要仪器和设备

2.2 试验方法

2.2.1 多孔不锈钢基铁氧化物膜对苹果汁中Cd(II)和Pb(II)的去除性能

2.2.2 单一糖酸组分对多孔不锈钢基铁氧化物膜稳定性影响

2.2.3 多孔不锈钢基铁氧化物膜与苹果汁中糖酸相互作用机理

第三章 结果与分析

3.1.1 Cd(II)和Pb(II)初始浓度和温度对去除率的影响

3.1.2 膜稳定性

3.2 单一糖酸组分对多孔不锈钢基铁氧化物稳定性的影响

3.3 多孔不锈钢基铁氧化物与苹果汁中糖酸相互作用机理

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 创新点

4.3 展望

参考文献

致谢

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