利用创新功能化的聚(2,5-二氢-2,5-二甲氧基呋喃)高效去除水中的Cd(II)和PB(II)离子，用于水处理应用

《Journal of Applied Polymer Science》：Efficient Removal of Cd(II) and PB(II) Ions Using Innovatively Functionalized Poly(2,5-Dihydro-2,5-Dimethoxyfuran) for Water Treatment Applications

聚（2,5-二氢-2,5-二甲氧基呋喃）及其改性材料的重金属吸附性能研究

　　该研究探讨了一种新型的聚氨酯吸附剂的合成及其对水溶液中Cd(II)和Pb(II)离子的去除性能。研究通过利用一种来自生物质的可再生单体——顺式、反式-2,5-二氢-2,5-二甲氧基呋喃（DHMF），进行阳离子聚合反应，成功合成了聚2,5-二氢-2,5-二甲氧基呋喃（pDHMF）。随后，通过使用氢氧化钠（NaOH）和二硫化碳（CS?）对合成的pDHMF进行化学修饰，进一步提升了其吸附性能。研究采用多种表征技术，如傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、热重分析（TGA）和比表面积分析（BET）等，对吸附剂的结构和物理特性进行了深入分析。最终，通过批次实验评估了这些材料对Pb(II)和Cd(II)离子的去除效果。

### 1. 吸附剂的结构与性能

研究中的吸附剂，即pDHMF及其两种改性材料NaOH/pDHMF和CS?/pDHMF，具有独特的化学结构和物理特性。通过FT-IR光谱分析发现，pDHMF的合成主要通过环状开环机制进行，这使得其结构中不再保留原有的呋喃环特征峰，而出现了新的羟基（–OH）和羰基（C=O）相关峰。这种结构变化不仅证明了聚合反应的成功，也表明吸附剂表面引入了更多的极性官能团，从而提高了其对重金属离子的吸附能力。

在对NaOH/pDHMF和CS?/pDHMF的进一步分析中，研究发现两种改性材料均引入了新的官能团。NaOH处理后的材料引入了羧酸盐（–COO?）官能团，而CS?处理后的材料则形成了类似黄原酸（–OCS??）的结构。这些新的官能团能够有效与Pb(II)和Cd(II)离子发生化学相互作用，提高其吸附容量。例如，在500?mg·L?1的Pb(II)溶液中，CS?/pDHMF的吸附容量达到了110.00?mg·g?1，而NaOH/pDHMF则达到了156.00?mg·g?1。相比之下，原始的pDHMF对Pb(II)的吸附容量为51.00?mg·g?1，对Cd(II)的吸附容量为42.38?mg·g?1。这表明，通过NaOH和CS?的化学修饰，吸附剂的吸附能力得到了显著提升。

此外，研究还对这些材料的表面形貌进行了分析。通过SEM图像可见，pDHMF及其改性材料均具有层状结构和多孔表面，这为重金属离子的吸附提供了更多的接触点和反应位点。EDS分析进一步表明，这些材料中含有锡（Sn）和氯（Cl）元素，这可能是由于聚合过程中未完全去除的引发剂残留。同时，NaOH/pDHMF和CS?/pDHMF中检测到了钠（Na）和硫（S）元素，进一步支持了改性过程的成功。

### 2. 吸附性能的优化与影响因素

为了评估吸附剂对Pb(II)和Cd(II)离子的吸附性能，研究采用了批次实验的方法。实验中，通过改变pH值、初始离子浓度、接触时间和温度等参数，分析了吸附行为的变化。结果显示，吸附容量随pH值的升高而增加，其中Pb(II)的最佳吸附pH值为5.0，而Cd(II)的最佳吸附pH值为5.5。这表明，吸附剂表面的电荷特性在不同pH值下对金属离子的吸附具有重要影响。

在初始离子浓度方面，随着浓度的增加，吸附容量也随之提升。这说明吸附剂的吸附能力受到溶液中金属离子浓度的限制，且在较高浓度下仍能保持较高的吸附效率。研究还发现，吸附过程的平衡时间约为100分钟，表明吸附反应在较短时间内即可完成。然而，随着接触时间的延长，吸附速率逐渐下降，这可能是由于吸附位点逐渐被占据，导致吸附速度减缓。

温度对吸附性能的影响相对较小。在不同温度下，吸附容量保持相对稳定，表明该吸附过程主要依赖于物理吸附机制，而非化学吸附。这一结论得到了热力学参数的支持，例如ΔG°（吉布斯自由能变化）为负值，说明吸附过程是自发进行的；ΔH°（焓变）为正值，表明吸附过程是吸热的；ΔS°（熵变）也为正值，说明吸附过程中体系的无序度增加。这些热力学参数进一步支持了吸附反应主要由物理作用主导。

### 3. 吸附动力学与等温模型

为了更深入地理解吸附过程的动力学行为，研究对吸附数据进行了拟合分析。结果显示，吸附过程符合伪二级动力学模型，这通常与化学吸附有关。伪二级动力学模型的拟合效果优于伪一级模型，表明吸附速率受化学反应控制，而非单纯的扩散过程。此外，动力学参数如吸附速率常数（k?）和平衡吸附量（q?）均显示出良好的拟合效果，说明该模型能够准确描述吸附行为。

在等温吸附模型方面，研究对比了Langmuir和Freundlich模型。Langmuir模型假设吸附发生在均匀的单层表面，而Freundlich模型则适用于多层、非均匀的表面。实验数据显示，两种模型均能较好地描述吸附过程，但Langmuir模型的理论平衡吸附量（q?）与实际平衡吸附量（q?）存在较大差异，这表明吸附过程并非完全符合Langmuir模型的假设。相比之下，Freundlich模型中的n值大于1，说明吸附过程在非均匀表面上发生，且具有良好的吸附性能。这一结果进一步表明，吸附过程主要依赖于多层吸附机制，而非单一的单层吸附。

### 4. 吸附剂的再生与循环使用

在实际应用中，吸附剂的再生和循环使用至关重要。研究通过使用0.1?M的盐酸（HCl）和乙二胺四乙酸（EDTA）溶液，对吸附后的材料进行了脱附实验。结果显示，在4小时的接触时间内，几乎所有吸附的Pb(II)和Cd(II)离子均可被有效脱附。进一步的循环使用实验表明，该吸附剂在至少四次Pb(II)和六次Cd(II)吸附后仍能保持较高的吸附效率，说明其具有良好的循环稳定性。

### 5. 研究的意义与展望

本研究的成果具有重要的实际应用价值。首先，该吸附剂来源于可再生的生物质原料，符合绿色化学和可持续发展的理念。其次，通过化学修饰，吸附剂的吸附容量得到了显著提升，尤其是在Pb(II)和Cd(II)的去除方面表现优异。此外，该吸附剂的制备过程相对简单，且具有良好的热稳定性和循环使用能力，适用于实际的水处理和工业废水治理场景。

尽管研究已经取得了良好的进展，但未来仍有进一步优化的空间。例如，可以通过改变改性条件，如调节NaOH和CS?的用量、反应时间或温度，进一步提高吸附剂的吸附性能。此外，还可以探索其他改性方法，如引入更多的官能团或与其他材料复合，以增强其对多种重金属离子的吸附能力。同时，研究还应考虑吸附剂在实际环境中的应用条件，如不同pH值、离子浓度和共存离子的影响，以确保其在复杂水体中的适用性。

### 6. 总结

综上所述，本研究成功合成了基于生物质的可再生单体DHMF的聚氨酯吸附剂，并通过化学修饰显著提升了其对Pb(II)和Cd(II)离子的吸附能力。通过FT-IR、SEM、TGA和BET等表征手段，验证了吸附剂的结构变化和物理特性。实验结果表明，该吸附剂在多种条件下均表现出良好的吸附性能，符合伪二级动力学模型和Freundlich等温模型，进一步支持了其物理吸附机制。此外，吸附剂的循环使用能力和稳定性也得到了验证，为实际应用提供了可靠的基础。该研究不仅为重金属离子的去除提供了一种高效的吸附材料，也为可再生资源在环境治理领域的应用提供了新的思路。未来，该吸附剂可能在更广泛的重金属去除场景中发挥重要作用，特别是在处理工业废水和受污染的水体方面。