1 引言(Introduction)

　　近些年, 工业化的快速发展使得环境问题尤其是水污染问题日益严峻.其中, 重金属污染是引起水污染的最重要因素之一.水体中的重金属离子在痕量水平即表现出高的毒性及致癌性, 其可通过食物链的富集作用蓄积于动物体内造成持久性的危害, 并诱发多种疾病.而探究水体中重金属的去除是保障用水安全及提高水资源重复利用性的有效手段.

　　我国水体主要污染重金属离子包括镉(Cd)、铬(Cr)、铅(Pb)、砷(As)等, 其中, Cd(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)具有极高的毒性.水体中重金属的去除方法主要有化学沉淀法、离子交换法、膜分离法、吸附法等, 其中, 吸附法由于高效、成本低、操作简便而倍受关注.Wu等(2000)和Zan等(2006)报道了利用液膜吸附重金属离子并同时合成纳米粒子, 去除重金属离子的同时“变废为宝”.Ge等(2013)研究发现, Al2O3纳米粒子对水溶液中的Cr(Ⅵ)具有良好的吸附性能, 吸附率可达90%.然而, 在吸附完成后, 微小尺寸的金属氧化物颗粒很难回收, 常会损失甚至带来新的污染.将Al2O3等纳米粒子固定化于羟磷灰石、蒙脱土、壳聚糖等材料上可有效解决上述问题, 但有机载体在吸附剂再生过程中容易发生不可逆分解而造成纳米粒子的损失, 这限制了这些材料的实际应用.316L多孔不锈钢(PSS, 022Cr17Ni12Mo2)是一种多孔、机械强度高的膜管, 是较为理想的金属氧化物纳米粒子固定化载体.本研究拟通过水热法合成Al2O3纳米粒子并利用悬浮粒子浸涂法将其固定于316L PSS上, 以制备多孔不锈钢基氧化铝膜.同时, 以该膜为吸附剂, 探讨其对水溶液中Cr(Ⅵ)和Cd(Ⅱ)的吸附性能.

　　2 试验部分(Experiment part)2.1 仪器与试剂

　　仪器：场发射扫描电镜(FESEM, JEOL S-4800, 日本日立公司), X射线衍射仪(D/MAX-3C, 日本理光公司), 中空纤维膜小试设备(HFM-0530, 厦门世达膜科技有限公司), 石墨炉原子吸收仪(AAS-9000, 江苏天瑞仪器股份有限公司), 高速离心机(ZONKIA, HC-3018, 安徽中科中佳公司).试验材料为自制的γ-Al2O3纳米粒子和316L多孔不锈钢(钢牌号：022Cr17Ni12Mo2, 孔径1 μm, 长30 cm, 内径8 mm, 外径12 mm).

　　试剂：偏铝酸钠(NaAlO2)、尿素(CON2H4)、硝酸钾(KNO3)、无水乙醇(C2H5OH)均为分析纯, 聚乙二醇(PEG 2000)、聚丙烯酸钠(PAAS 20M)均为化学纯, 所有试剂购自天津科密欧化学试剂厂;试验用水为去离子水.

　　2.2 试验方法

　　将316L PSS依次用0.1 mol·L-1 NaOH、HNO3溶液超声清洗10 min, 再用去离子水洗至中性, 最后用无水乙醇超声清洗5 min, 晾干后备用.按文献(Zhang et al., 2016)的方法制备γ-Al2O3粉体.具体方法为：将一定量的偏铝酸钠、尿素、聚丙烯酸钠依次加入50 mL去离子水中, 搅拌30 min后倒入不锈钢水热反应釜中于烘箱内140 ℃反应10 h, 结束后取出产物洗净并真空干燥12 h, 之后将干燥得到的白色粉末置于马弗炉中于500 ℃煅烧3 h获得γ-Al2O3粉体;其次, 取一定量聚乙二醇于1000 mL去离子水中, 配成分散液并加入2 g γ-Al2O3粉体(聚乙二醇与γ-Al2O3的质量比为1:7.9), 用KNO3调节溶液粒子强度为C(KNO3)=1 mmol·L-1, 再用0.1 mol·L-1的NaOH和0.1 mol·L-1的HNO3溶液调节悬浮液pH值为7.0.悬浮液于室温下超声分散15 min后通过悬浮粒子浸涂法涂覆在多孔不锈钢基体上, 最后于400 ℃烧结3 h.烧结程序为：250 ℃保温1 h, 400 ℃保温3 h, 为防止升温过快造成氧化铝膜开裂, 烧结升温过程的升温速率为1 ℃·min-1, 烧结完后随炉冷却.

　　2.3 吸附试验

　　利用经典批处理研究膜的吸附性能.将多孔不锈钢基氧化铝膜组件连接到中空纤维膜小试设备后, 于定压条件(0.1 MPa)下进行吸附操作.所有试验重复3次.

　　设定温度为室温, Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)的初始浓度均为5 mg·L-1, 吸附时间为8 h, 在此条件下探讨溶液初始pH对吸附量的影响, 其中, Cr(Ⅵ)的初始pH值为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0.Cd(Ⅱ)为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0.设定Cr(Ⅵ)和Cd(Ⅱ)的初始浓度分别为2、5、10、20 mg·L-1、初始pH为最佳吸附pH, 探讨吸附时间(0、1、5、10、15、20、80、100、120、140、210、270、360、480 min)对吸附量的影响, 绘制动力学吸附曲线并获得拟合模型.在最佳吸附pH、室温、吸附时间8 h的条件下, 探讨Cr(Ⅵ)和Cd(Ⅱ)的初始浓度(0、5、10、15、20、25、30、40 mg·L-1)对吸附量的影响, 绘制吸附等温线并获得拟合模型.Cr(Ⅵ)和Cd(Ⅱ)的浓度采用石墨炉原子吸收法测定.所有试验重复3次.

　　吸附量采用式(1) 计算, 吸附百分率r采用式(2) 计算.吸附动力学数据利用准一级、准二级吸附动力学模型(Ho et al., 1999)进行拟合, 其方程见公式(3)、(4).吸附热力学数据利用Langmuir(Langmuir, 1918)、Freundlich(Freundlich et al., 1939)吸附等温线模型拟合, 其方程分别见式(5)、(6).