层状双金属氢氧化物MgAl-LDO-<i>L</i>-Cys对水中Hg（Ⅱ）的去除

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0403

摘要/Abstract

摘要：

为提高层状双金属氢氧化物（MgAl-LDH）对水中Hg（Ⅱ）的吸附效果，利用水热法合成了MgAl-LDO-L-Cys复合吸附剂。利用SEM、FTIR、XPS、Zeta电位等对复合吸附剂进行了表征，并探讨了其对水溶液中Hg（Ⅱ）的吸附效果。结果表明，煅烧后的层状双金属氢氧化物（MgAl-LDO）被L-半胱氨酸（L-Cys）包裹，L-Cys分子通过与MgAl-LDO表面氧化物基团或金属离子形成配位键实现稳定插层。MgAl-LDO-L-Cys对Hg（Ⅱ）的吸附行为遵循Langmuir吸附等温模型和准二级反应动力学模型，在25 ℃下Hg（Ⅱ）的理论最大吸附量为397.92 mg/g，且该吸附过程是一个自发的吸热过程。MgAl-LDO-L-Cys在10次循环使用后，对Hg（Ⅱ）的吸附量依然可达到初始吸附量的71.9%，且在其他离子的存在下，MgAl-LDO-L-Cys对Hg（Ⅱ）依然具有较好的去除效果。MgAl-LDO-L-Cys主要通过巯基、羟基、氨基和羧基等基团与Hg（Ⅱ）发生络合作用去除水中的Hg（Ⅱ）。

关键词: 层状双金属氢氧化物, L-半胱氨酸, Hg（Ⅱ）, 吸附

Abstract:

To improve the adsorption effect of layered bimetallic hydroxide(MgAl-LDH) towards Hg(Ⅱ) in water, hydrothermal method was used to synthesize the MgAl-LDO-L-Cys composite adsorbent. The composite adsorbent was characterized by SEM, FTIR, XPS, and Zeta potential determination. The adsorption of Hg(Ⅱ) from aqueous solution by the composite adsorbent was investigated. The results indicated that the calcined layered bimetallic hydroxide (MgAl-LDO) was encapsulated by L-cysteine(L-Cys), and L-Cys molecules achieved stable intercalation by forming coordination bonds with oxide groups or metal ions on the surface of MgAl-LDO. The adsorption behavior of MgAl-LDO-L-Cys towards Hg(Ⅱ) followed the Langmuir adsorption isotherm model and pseudo-second-order reaction kinetic model. The theoretical optimal adsorption capacity of Hg(Ⅱ) at 25 ℃ was 397.92 mg/g, and the adsorption process was a spontaneous endothermic process. After 10 cycles of use, MgAl-LDO-L-Cys still achieved an adsorption capacity of 71.9% of the initial adsorption capacity for Hg(Ⅱ), and it still had a good removal effect on Hg (Ⅱ) in the presence of other ions. The MgAl-LDO-L-Cys mainly removed Hg(Ⅱ) from water by chelating with Hg(Ⅱ) through thiol, hydroxyl, amino, and carboxyl groups.

Key words: layered bimetallic hydroxide, L-cysteine, Hg(Ⅱ), adsorption

中图分类号:

X703.1
TQ424

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I5/127

图/表 14

图1 MgAl-LDH（a）、MgAl-LDO（b）和MgAl-LDO-L-Cys（c）的SEM

Fig.1 SEM images of the MgAl-LDH（a），MgAl-LDO（b），and MgAl-LDO-L-Cys（c）

图2 MgAl-LDO-L-Cys的FTIR光谱（a）和XPS谱图（b~d）

Fig.2 FTIR spectra（a） and XPS spectra（b-d） of MgAl-LDO-L-Cys

图3 MgAl-LDO-L-Cys的Zeta电位（a）和不同pH对其吸附Hg（Ⅱ）效果的影响（b）

Fig.3 Zeta potential of MgAl-LDO-L-Cys（a） and the effect of different pH on Hg（Ⅱ） adsorption（b）

图4 Hg（Ⅱ）吸附的准一级反应动力学和准二级反应动力学模型（a）和颗粒内扩散模型（b）拟合曲线

Fig.4 Fitting curves of pseudo-first-order and pseudo-second-order reaction kinetic models（a） and intra-particle diffusion model（b） of Hg（Ⅱ） adsorption

表1 Hg（Ⅱ）吸附动力学模型拟合参数

Table 1 Fitting parameters of Hg（Ⅱ） adsorption for the kinetic models

q _e，exp/

（mg·g^-1）

k ₁/min^-1

表2 Hg（Ⅱ）吸附颗粒内扩散模型拟合参数

Table 2 Fitting parameters of Hg （Ⅱ） adsorption for intra-particle diffusion model

外部扩散阶段			内部扩散阶段			平衡稳定阶段
K _d1	C ₁	R ²	K _d2	C ₂	R ²	K _d3	C ₃	R ²
12.98	27.18	0.971 5	0.59	238.19	0.913 3	0.07	324.58	0.665 7

图5 不同温度下的Langmuir（a）和Freundlich（b）吸附等温线模型

Fig.5 Langmuir（a） and Freundlich（b） adsorption isotherm models at different temperatures

表3 Hg（Ⅱ）在MgAl-LDO-L-Cys上的吸附等温线拟合参数

Table 3 Adsorption isotherm fitting parameters of Hg（Ⅱ） on MgAl-LDO-L-Cys

T/℃	Langmuir模型			Freundlich模型
T/℃	q _m/（mg·g^-1）	K _L/（L·mg^-1）	R ²	K _F	1/n	R ²
15	371.96	1.58	0.989 7	429.16	0.335	0.971 2
25	397.92	0.52	0.972 5	478.41	0.362	0.964 9
35	412.53	0.28	0.999 9	532.03	0.393	0.960 0

表4 本材料与其他吸附剂的吸附能力比较

Table 4 Comparison of adsorption capacity of the present material with other adsorbents

吸附剂	实验条件	吸附时间/min	q _e/（mg·g^-1）	参考文献
MgAl-LDO-L-Cys	pH=7，T=25 ℃	180	349.2	本研究
MGO	pH=8，T=49 ℃	120	63.7	〔14〕
Fe₃O₄@SiO₂@GQDs	pH=6，T=25 ℃		68.1	〔15〕
PASP/LDH	pH=4，T=30 ℃	90	208.6	〔16〕
PPy-cellulose hybrid	pH=6，T=25 ℃	90	31.689	〔17〕
PPy/SBA-15	pH=8，T=25 ℃	60	200	〔18〕

图6 ln K _d与1/T的曲线

Fig.6 Plots of ln K _d vs.1/T

表5 MgAl-LDO-L-Cys吸附Hg（Ⅱ）的热力学参数

Table 5 Thermodynamic parameters of Hg（Ⅱ） adsorption onto MgAl-LDO-L-Cys

C ₀/（mg·L^-1）	ΔH ⁰/（kJ·mol^-1）	ΔS ⁰/（J·mol^-1·K^-1）	ΔG ⁰/（kJ·mol^-1）
C ₀/（mg·L^-1）	ΔH ⁰/（kJ·mol^-1）	ΔS ⁰/（J·mol^-1·K^-1）	15 ℃	25 ℃	35 ℃
15	24.93	120.3	-10.922	-12.125	-13.487
25	13.22	71.2	-8.002	-8.714	-9.402
35	9.91	55.3	-6.565	-7.118	-7.607

图7 共存离子对Hg（Ⅱ）去除效果的影响

Fig.7 Effects of coexisting ions on removal of Hg（Ⅱ）

图8 MgAl-LDO-L-Cys去除Hg（Ⅱ）后的回收能力

Fig.8 Recovery capacity of MgAl-LDO-L-Cys for Hg（Ⅱ） removal

图9 Hg（Ⅱ）去除机理示意

Fig.9 Schematic illustration of Hg（Ⅱ） removal mechanism

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