重金属难以在自然界中降解，加之本身良好的水溶性，可通过水环境的迁移在食物链中数以百倍地富集，最终进入人体，危害人体健康^〔1〕。其中，Pb²⁺被称为“累积性毒药”，可以在骨骼、大脑、肾脏和肌肉中积聚，导致许多严重的疾病^〔2〕。目前，含Pb²⁺废水常用的处理方法包括化学沉淀法、膜分离法、吸附法等。化学沉淀法通常只限于处理高浓度的含Pb²⁺废水，而且产生的污泥需要二次处理；膜分离法效率高，但膜组件昂贵并易受污染；吸附法由于具有效率高、成本低、易操作、稳定再生能力等优点而成为去除废水中Pb²⁺最有前景的方法。常见的Pb²⁺吸附材料包括离子交换树脂、生物吸附剂、活性炭等。与上述几种吸附材料相比，螯合纤维^〔3-5〕由于外比表面积大、传质快、对重金属离子吸附效率高且具有一定的选择性等优点而成为研究者广泛关注的重金属吸附材料。

本研究以聚丙烯（PP）为基体，甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）和二乙烯三胺（DETA）为功能单体，通过易工业化扩大的悬浮接枝改性和熔喷纺丝技术制备一种吸附Pb²⁺的PP-g-GMA-DETA螯合纤维。通过FT-IR、SEM对纤维进行表征，研究纤维对Pb²⁺的吸附行为及吸附机理。

GMA、DETA、二甲苯、过氧化二苯甲酰（BPO）、硝酸铅，国药集团，以上试剂均为分析纯。

PP-g-GMA-DETA螯合纤维（自制）：将骤冷处理^〔6〕过的PP树脂、二甲苯和去离子水加入到磁力反应釜中，在N₂保护下于90 ℃搅拌1 h后，加入引发剂BPO、单体GMA悬浮接枝3 h，得到产物PP-g-GMA（接枝率为19.6%），用去离子水清洗后丙酮抽提16 h，真空干燥至恒重。通过熔喷纺丝制备PP-g-GMA纤维，最后用DETA胺化制得PP-g-GMA-DETA螯合纤维，用去离子水清洗，丙酮抽提12 h，真空干燥备用。

PP纤维（自制）：由未经改性的PP树脂通过熔喷纺丝制备得到。

PP-g-GMA纤维（自制）：由未经胺化的PP-g-GMA通过熔喷纺丝制备得到。

采用静态吸附实验考察PP-g-GMA-DETA螯合纤维对Pb²⁺的吸附性能，所有吸附实验均重复3次，相对误差要求小于5%，结果取平均值。取50 mL一定浓度的Pb²⁺溶液置于锥形瓶中，用氨水和盐酸调节pH，加入0.5 g PP-g-GMA-DETA纤维，置于恒温振荡器吸附一定时间后，取出螯合纤维，待溶液静置5 min后测定其中的Pb²⁺浓度，计算吸附量。

将0.5 g PP-g-GMA-DETA螯合纤维分别放入含有不同浓度共存离子的Pb²⁺溶液中（Pb²⁺初始质量浓度为253 mg/L，pH为5），震荡吸附90 min，取出纤维，待溶液静置5 min后测定溶液中Pb²⁺浓度，计算螯合纤维对Pb²⁺选择吸附率，见式（1）。

(1)

式中：N——螯合纤维对Pb²⁺的选择吸附率，%；

Q₁——无竞争离子时的Pb²⁺吸附量，mg/g；

Q₂——存在竞争离子时的Pb²⁺吸附量，mg/g。

将吸附饱和的PP-g-GMA-DETA螯合纤维用去离子水多次清洗后真空干燥后，用50 mL 0.5 mol/L HCl震荡解吸30 min，以洗脱螯合纤维表面吸附的Pb²⁺，测定洗脱液中Pb²⁺浓度，计算解吸率，见式（2）。

(2)

式中：D——解吸率，%；

C_d——洗脱液中Pb²⁺的质量浓度，mg/L；

V_d——洗脱液体积，L；

m——吸附纤维质量，g；

Q——吸附量，mg/g。

采用S-3400NⅡ型扫描电子显微镜（日本哈希公司）、NEXUS870型傅里叶变换红外光谱仪（美国NICOLET公司）对纤维进行表征分析。采用双硫腙分光光度法测定溶液中Pb²⁺浓度^〔7〕。对于共存离子存在下的Pb²⁺溶液，采用Optima 5300 DV型电感耦合等离子体原子发射光谱质谱仪（美国PerkinElmer公司）进行分析。

PP纤维、PP-g-GMA纤维、PP-g-GMA-DETA螯合纤维的FT-IR表明，相比于PP纤维，PP-g-GMA纤维在1 739 cm^-1处出现了C=O振动吸收峰，分别在910、1 149 cm^-1处出现了环氧基团的特征吸收峰，说明GMA已经被成功接枝到PP上。PP-g-GMA-DETA螯合纤维在1 562 cm^-1处出现了DETA中胺基的N—H特征吸收峰，表明DETA经过与接枝上的环氧基团加成，被成功引入到螯合纤维表面。

PP纤维、PP-g-GMA纤维、PP-g-GMA-DETA螯合纤维的SEM见图1。

由图1可见，悬浮接枝改性后经熔喷纺丝制得的PP-g-GMA纤维与未经改性PP树脂直接经熔喷纺丝制备的PP纤维的表面形貌、纤维细度无明显变化。PP-g-GMA-DETA螯合纤维形貌相比于PP-g-GMA纤维有所不同，表面粗糙，沟壑起伏。这是由于PP-g-GMA纤维表面经胺化反应引入DETA所致，与红外谱图分析证实的DETA成功引入到螯合纤维表面的结果吻合。

PP-g-GMA-DETA螯合纤维对水中Pb²⁺的吸附不仅取决于螯合纤维自身的性质和Pb²⁺的存在形态等，而且受到水中诸多因素的制约，因此研究水中Pb²⁺的吸附必须考察各种因素的影响。

考察胺基对PP-g-GMA-DETA螯合纤维吸附Pb²⁺的影响，结果见图2。

由图2可知，PP-g-GMA-DETA螯合纤维对Pb²⁺吸附量随螯合纤维胺基含量的增加而增大。这是由于随着胺基含量的增加，螯合纤维表面的吸附活性位点增多，吸附量增大。

在吸附温度为25 ℃，Pb²⁺初始质量浓度为253 mg/L，pH为5的条件下，考察吸附时间对PP纤维、PP-g-GMA螯合纤维和PP-g-GMA-DETA螯合纤维吸附Pb²⁺的影响，结果见图3。

由图3可知，PP-g-GMA-DETA螯合纤维对Pb²⁺的吸附量随吸附时间的增加先迅速增大，60 min后保持稳定，达到饱和吸附，饱和吸附量为52.03 mg/g。前60 min吸附速率较快是由于螯合纤维表面存在大量活性位点，随着吸附活性位点逐渐减少，Pb²⁺吸附量增加缓慢，直至饱和。而PP纤维、PP-g-GMA纤维对Pb²⁺的吸附量较低，分别为0.2、10.93 mg/g，改性后的螯合纤维对Pb²⁺的吸附量得到了很大的提高。

PP-g-GMA-DETA螯合纤维胺基中的N原子含有孤对电子，具有较强的电负性，其吸附特性易受溶液pH影响，故在吸附温度为25 ℃、吸附时间为90 min、Pb²⁺初始质量浓度为253 mg/L的条件下，考察pH对Pb²⁺吸附效果的影响，结果表明，PP-g- GMA-DETA螯合纤维对Pb²⁺的吸附量在pH为2~5范围内逐渐增大，pH为5时吸附量达到最大值，当pH继续升高时，吸附量迅速减少。pH小于5时铅主要以Pb²⁺形式存在，螯合纤维对Pb²⁺作用较强，但当pH较低时溶液中大量游离的H⁺使胺基质子化后形成带正电的—NH₃⁺与Pb²⁺静电排斥，不利于纤维吸附Pb²⁺，随着pH的逐渐升高，螯合纤维的活性位点变成游离的NH₂，有利于纤维螯合Pb²⁺。但当pH大于5时，溶液中的Pb²⁺逐渐转化为PbOH⁺，Pb²⁺减少，螯合纤维吸附量降低。

在吸附温度为25 ℃、吸附时间为90 min、pH为5的条件下，考察Pb²⁺初始浓度对PP-g-GMA- DETA螯合纤维吸附Pb²⁺的影响，结果见图4。

由图4可知，PP-g-GMA-DETA螯合纤维对Pb²⁺吸附量随着Pb²⁺浓度的增加而增大，最终保持吸附平衡。溶液中Pb²⁺浓度增加时，螯合纤维表面的活性位点更容易和附近的Pb²⁺结合，因而吸附量增大。当Pb²⁺浓度继续增大，由于吸附活性位点逐渐饱和，吸附量不再增加。

考察不同浓度的共存离子存在下PP-g-GMA-DETA螯合纤维对Pb²⁺的选择吸附率，结果表明，当Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Fe³⁺由100 mg/L增加到300 mg/L时，PP-g-GMA-DETA螯合纤维对Pb²⁺的选择吸附率分别只降低了1.92%、2.21%、4.4%、4.09%，影响较小。而Hg²⁺、Cu²⁺由100 mg/L增加到300 mg/L时，PP-g-GMA-DETA螯合纤维对Pb²⁺的选择吸附率下降较快。根据Pearson的软硬酸碱理论^〔8〕，软酸优先与软碱结合。PP-g-GMA-DETA螯合纤维中的N原子被归类为软碱，因此倾向于与软重金属离子紧密结合，Hg²⁺、Cu²⁺和Pb²⁺同属于软酸，由于竞争吸附降低了PP-g-GMA-DETA螯合纤维对Pb²⁺的选择吸附性能；而Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Fe³⁺属于硬酸，对PP-g-GMA-DETA螯合纤维吸附Pb²⁺影响较小。PP-g-GMA-DETA螯合纤维在Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Fe³⁺存在的竞争吸附过程中表现出一定的选择吸附性能，可以用于处理含有Na⁺、Mg²⁺等硬酸金属离子废水中Pb²⁺的吸附。

为研究PP-g-GMA-DETA螯合纤维对Pb²⁺的吸附过程，分别采用准一级动力学模型、准二级动力学模型对不同吸附时间时螯合纤维吸附Pb²⁺的实验数据进行拟合，结果见表1。

由表1可知，准二级动力学模型能更好地描述PP-g-GMA-DETA螯合纤维对Pb²⁺的吸附过程。准二级动力学模型的吸附过程为化学吸附过程，吸附材料与Pb²⁺通过共用电子对、电荷交换、静电引力等实现化学吸附，是吸附速率的关键控制因素。

半饱和吸附时间指吸附材料的吸附量达到饱和吸附量一半时所需要的时间，常用来描述材料的吸附速率。在实际吸附应用中，吸附材料通常在吸附后期速率很慢，通常不会等到吸附材料到饱和才去再生或者更换，因此半饱和吸附时间对吸附材料的应用更具实际意义。本研究中PP-g-GMA-DETA螯合纤维对Pb²⁺的吸附过程可用准二级动力学模型表示，将半饱和吸附量带入准二级动力学方程，可求得半饱和吸附时间为13 min。

分别采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型对PP-g-GMA-DETA螯合纤维吸附Pb²⁺实验数据进行拟合，结果见表2。

由表2可知，Langmuir等温吸附方程更符合PP-g-GMA-DETA纤维对Pb²⁺吸附过程，认为螯合纤维具有均匀的吸附表面，吸附过程是单分子层吸附，最大理论吸附量为62.73 mg/g。

将再生的PP-g-GMA-DETA螯合纤维多次用于Pb²⁺的吸附，考察其再生性能，结果表明，PP-g-GMA-DETA螯合纤维对Pb²⁺的吸附和解吸是一个可逆的过程。每次吸附-解吸后，螯合纤维对Pb²⁺的吸附量和解吸率均有少量下降，经过5次再生后，Pb²⁺的吸附量为42 mg/g，解吸率只降低了3.9%，PP-g-GMA-DETA螯合纤维性能稳定，可多次再生使用。

（1）以PP为基体，GMA、DETA为功能单体，通过悬浮接枝和熔喷纺丝制备了一种吸附Pb²⁺的PP- g-GMA-DETA螯合纤维，饱和吸附量为52.03 mg/g。

（2）PP-g-GMA-DETA螯合纤维对Pb²⁺的吸附量在pH为2~5范围内逐渐增大，且随着Pb²⁺初始浓度的增加而增大，并在Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Fe³⁺存在的竞争吸附过程中表现出一定的选择吸附性能，而在Hg²⁺、Cu²⁺存在的竞争吸附过程中由于竞争吸附选择吸附性能降低。

（3）PP-g-GMA-DETA螯合纤维的吸附过程符合准二级动力学模型，主要受化学作用控制，半饱和吸附时间为13 min。吸附等温线符合Langmuir吸附等温线模型，为单分子层吸附，最大理论吸附量为62.73 mg/g。

（4）PP-g-GMA-DETA螯合纤维经多次吸附-解吸后仍保持较高解吸率，且吸附量下降较少，可重复使用。