随着我国城市化的快速推进和工业化的发展，水污染问题也随之产生，污水中过量的铜、锌、铅、镉等重金属离子对环境和生物体造成了危害，因此，如何低耗高效地实现污水处理也就成为发展亟待解决的首要问题。絮凝法对于水中重金属处理具有成本低、絮凝效果和凝胶颗粒分散性好的特点而成为水处理中应用广泛的处理方法。

淀粉作为天然有机高分子化合物，具有原料来源丰富、成本低、稳定性好等优点，作为多聚葡萄糖，其含量高的活泼羟基可通过羟基的氧化、酯化、接枝共聚和醚化等多种方法与丙烯酰胺、丙烯腈等发生共聚反应合成改性淀粉絮凝剂。

丙烯酰胺-淀粉絮凝剂是在淀粉刚性骨架上嫁接柔性支链形成大分子网状结构使凝胶颗粒分散性提升，不仅提高了絮凝剂的捕集能力和絮凝效果，而且具有生物降解和避免二次污染等特点，从而成为化工、石油、造纸、电镀等水处理中研究和应用较为广泛的絮凝剂。

但目前为止，对于淀粉-丙烯酰胺絮凝剂性能的研究主要是COD、色度、浊度及铅、镍等重金属的吸附性能的研究，未见文献关于该絮凝剂吸附铜、镉离子性能的研究报道。利用淀粉-丙烯酰胺絮凝剂高效地对污水中铜、镉离子进行处理，实现水体排放达标或水资源循环利用，对进一步开扩淀粉这类天然高分子絮凝剂的应用范围和领域具有重要意义。

本文运用水溶液聚合法，在硫酸铈引发下，玉米淀粉和丙烯酰胺单体发生接枝共聚反应合成淀粉-丙烯酰胺絮凝剂。运用傅里叶红外光谱对该絮凝剂结构进行表征，同时以铜、镉离子为研究对象，考察絮凝剂用量、絮凝时间和pH值对水中铜、镉离子吸附效果的影响，为淀粉-丙烯酰胺絮凝剂在重金属的吸附应用提供一定的借鉴和依据。

1实验部分

1.1试剂和仪器

试剂：玉米淀粉；丙烯酰胺、硫酸铈、冰醋酸和乙醇（分析纯）；丙酮（分析纯）。

仪器：DF-IOIS集热式恒温磁力搅拌器；AA-6300原子吸收分光光度计；TENSOR27傅里叶红外光谱仪；PHS-3C型pH计；FD-27S冷冻干燥机。

1.2絮凝剂的制备及表征

在氮气保护下，将12g玉米淀粉溶于一定量的蒸馏水中，于80℃的三口烧瓶内糊化30min；之后将温度降低至40℃，加入丙烯酰胺单体36g和0.36g硫酸铈引发剂，将恒温40℃下、绝氧搅拌反应4h后的产物转移至1000mL烧杯中，并用保鲜膜密封，静置、陈化24h得到粗产品。粗产品用乙醇、丙酮反复浸泡多次洗涤，再加入冰醋酸除去未反应的淀粉和均聚物，即得到纯絮凝剂。先将纯絮凝剂置于电热鼓风干燥箱中除去大量水分，再转移至冷冻干燥机中烘干至恒质量，用粉碎机研磨成粉末，即可用于红外光谱结构表征和絮凝实验吸附性能研究。

1.3铜、镉离子吸附实验

量取5mg／L的铜溶液和镉溶液各25mL，置于容量100mL的烧杯中，加入絮凝剂搅拌一定时间后静置，取上清液，并利用原子吸收分光光度法测定絮凝后溶液中铜、镉的质量浓度，考察絮凝剂用量、絮凝时间以及pH对重金属吸附性能的影响。

1.4铜、镉离子测试方法

采用原子吸收分光光度计对铜离子测试，利用铜空心阴极灯在灯电流为3.5mA、波长为324nm、狭缝宽度为0.1nm和乙炔-空气火焰下测定标准溶液铜离子的吸光度，并以铜离子质量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作标准曲线，在相同条件下测定样品吸光度后，利用标准曲线计算其质量浓度；镉离子采用镉空心阴极灯测试，改变灯电流为7.5mA、波长为228nm，其他条件和计算方法与铜测定、计算方法一致。

2结果与讨论

2.1絮凝剂的红外光谱分析

利用傅里叶红外光谱对淀粉-丙烯酰胺絮凝剂结构进行表征，测试波数范围在4300～420cm^-1，分辨率为1cm^-1，其谱图见图1。

由图1可知：絮凝剂在3295，2972和1019cm^-1处的峰为淀粉分子上O-H，C-H和葡萄糖环的伸缩振动吸收峰，在1653cm和1610cm^-1处的峰为丙烯酰胺上C=O和N-H的伸缩振动吸收峰，在1422cm^-1处的峰为伯酰胺上的C-N吸收峰，在3335cm-1处还出现了淀粉链-OH和丙烯酰胺-NH2的伸缩振动叠加产生的吸收肩峰，这些特征峰的存在表明，在引发剂硫酸铈作用下，糊化后的淀粉生成自由基并与丙烯酰胺发生接枝共聚反应生成了淀粉-丙烯酰胺絮凝剂，最终产物不是反应物的简单混合。

2.2絮凝剂对铜、镉离子的吸附性能

2.2.1絮凝剂用量对吸附率的影响

取5mg／L的铜溶液和镉溶液各25mL于容量为100mL的烧杯中，分别加入0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7和0.8g絮凝剂，恒温磁力搅拌器充分搅拌后静置30min，取上层清液、抽滤，所得溶液置于容量为25mL比色管中，用原子吸收分光光度计测定溶液中铜、镉的含量，絮凝剂加入量与重金属的吸附率见表1。

由表1可知：铜、镉2种金属的吸附率和吸附量均随着絮凝剂用量的增加先增大后略有减小并趋于平缓。当絮凝剂加入量为0.5g时絮凝效果最佳，对铜、镉的吸附率分别达到99.6%和99.0%，铜、镉质量浓度分别为0.02和0.05mg／L，低于国家《污水综合排放标准》的要求；在加入量为0.2g时饱和吸附容量达到最大，分别为615.0和558.8μg／g；随着絮凝剂加入量的增加，絮凝剂在水中形成的线状、树状或者网状结构的官能团增加，与金属离子的螯合作用增强，导致重金属的吸附量增加，并在絮凝剂为0.2g时絮凝剂的吸附量达到饱和；之后，当絮凝剂加入量再增加时，由于絮凝剂的分子链会包裹在水颗粒物表面产生位阻效应且活性基团由于基团的排斥导致絮凝剂沉降效果减弱，致使重金属吸附量不再随加入量的增大而增大，去除效果略有降低。

2.2.2絮凝时间对吸附率的影响

分别移取5mg／L铜溶液和镉溶液各25mL于容量为100mL的烧杯中，加入0.2g絮凝剂，在10，20，30，40和50min絮凝时间下，考察絮凝时间对铜、镉重金属离子吸附率的影响，具体情况见表2。

由表2可知：铜、镉吸附率随着絮凝时间的增加，呈先迅速增加后趋于稳定的趋势，在10min内对铜、镉的吸附率达到总量的87.2%和96.4%。当铜溶液絮凝时间为30min时，吸附率最高，为97.0%；镉溶液的最佳絮凝时间为40min，吸附率为99.0%。絮凝剂由于含有亲水性的酰胺基，在溶液中可迅速吸水膨胀，加快实现重金属的过快速吸附，所以，在30min前，铜、镉的吸附率随时间迅速增加；在30min后，絮凝剂对重金属离子吸附进入缓慢吸附和吸附平衡阶段，在吸附达到平衡后，水中重金属的吸附率不再随着吸附时间的延长而增加。

2.2.3溶液pH值对吸附率的影响

分别量取5mg／L铜溶液和镉溶液各25mL于容量为50mL的烧杯中，絮凝剂用量为0.2g，絮凝时间为30min，考察pH与吸附率的关系，具体情况见表3。

由表3可知：铜、镉的吸附效果受pH的影响较大，在pH为4～8时铜、镉的吸附率随pH升高呈先增加后减小的趋势；当溶液pH为6～7时，铜、镉离子的吸附率达到最高，分别为99.6%和92.2%。因为在强酸性环境中受H+的影响，絮凝剂上的酰胺基团被质子化。

所以，絮凝剂表面官能团更多的被H+占据，导致其与金属离子的配位、螯合能力减弱。可见，在pH为4～6时，随着pH升高，溶液中的H+减少，絮凝剂质子化程度减弱，对铜、镉的吸附率升高；当溶液pH上升至弱碱性（pH为6～7）时，金属铜、镉离子容易水解形成带正电的产物，并增大了与絮凝剂的亲和力，此时，铜、镉的吸附率达到最大；当溶液呈强碱环境时，金属离子可能发生解吸，并与溶液中的OH-形成沉淀，致使吸附率降低。

3结论

1）利用水溶液聚合法，在硫酸铈引发下，玉米淀粉和丙烯酰胺发生聚合反应生成淀粉-丙烯酰胺絮凝剂。红外光谱显示，合成的絮凝剂中具有明显的淀粉和丙烯酰胺官能团的特征吸收峰及淀粉链-OH和丙烯酰胺-NH2的叠加吸收肩峰，说明反应物发生了聚合反应，而不是反应物的简单混合。

2）絮凝剂用量、絮凝时间和pH均对絮凝性能有一定的影响，在相同条件下，pH对吸附率的影响较大。该絮凝剂对于铜、镉饱和吸附容量分别达到615.0和558.8μg／g，在絮凝剂加入量为0.5g时，对铜、镉2种重金属具有较强的吸附性，对铜、镉的吸附率分别达99.0%和99.6%。铜、镉的质量浓度低于国家《污水综合排放标准》的要求。

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