复合改性分子筛对多金属离子协同去除效能的探究

摘要：随着工业生产和城镇化的持续发展，废水中多金属离子污染问题日益严峻。传统的化学沉淀、离子交换及吸附等处理技术在去除单一金属离子时具有一定效果，但对多种金属离子同时存在的复杂体系常难以取得理想的协同去除效果。基于此，本文围绕复合改性分子筛材料在多金属离子协同去除中的研究进展及效能评估展开论述。重点介绍了复合改性的机理、分子筛孔道与改性组分协同作用以及影响多金属离子吸附/交换过程的关键因素，为后续在水处理领域开展高效、低成本、绿色化吸附材料的设计与应用提供参考和启示。

关键词：复合改性分子筛；多金属离子；协同去除；离子交换；吸附机理

引言：

近年来，水体重金属污染已成为威胁环境与生态安全的主要因素之一。多种重金属离子例如Pb²+、Cu²+、Zn²+、Cd²+等同在废水中出现时，存在潜在的复杂相互作用，使得单一的去除方法往往无法取得良好的处理效果。传统的去除技术包括化学沉淀、氧化还原、膜分离和生物处理等，但这些方法往往会受到金属形态多样性或竞争吸附的影响，导致处理效率下降，并且在大规模应用中还面临成本高、过程难控和处理后废渣二次污染的问题。

1.复合改性分子筛的主要制备方法及原理

一般情况下复合改性分子筛是在原始分子筛上通过负载或改性达成多功能协同作用位点的形成，以增进对金属离子的去除成效，改性机理、材料结构和使用场景等方面的差异存在于不同制备方法里。

（1）溶胶–凝胶法：一般此方法先将含有金属氧化物或无机聚合物前驱体的溶胶制备出来，随后针对分子筛表面或孔道内部实施凝胶化处理，进而达成在分子筛骨架内外同步生长功能性氧化物或金属纳米颗粒的目的，借助溶胶–凝胶法，可达成改性组分在分子筛表面的均匀负载，在保障原有分子筛孔结构不被破坏的基础上，加大其对金属离子的配位结合能力。

（2）浸渍–焙烧法：用改性剂溶液浸渍处理分子筛，令其跟分子筛表面和孔道进行充分接触吸附后，通过恰当设置焙烧温度和保温时间实现改性组分在分子筛内部的嵌入或化学键合，该方法操作简易、成本不高，把控改性剂用量与温度可实现对材料性质的较佳调控。

（3）共沉淀法：把分子筛原材料以及特定改性剂一同引入溶液，靠调节pH值或引入助沉淀剂达成，让分子筛骨架与复合组分开启原位生长进程，促成更为紧密有效的结合模式，金属氢氧化物/氧化物与分子筛的复合体制备中多运用共沉淀法，一般所得材料往往具备较强的金属配位能力，能在复合材料表面连同孔道内给出大量活性位点。

（4）离子交换法：把分子筛放进含有目标改性阳离子的溶液之内，让阳离子进入分子筛孔道实现部分或者全部的离子替换，此方法在进行离子交换树脂和分子筛的有机–无机杂化制备或功能离子引入时较常用，能在材料内部构建出均匀分布的功能性活性位点，提高针对金属离子的选择性。

2.复合改性分子筛在多金属离子协同去除里的影响因素

2.1结构特征与孔道性质

多金属离子协同去除期间复合改性分子筛的表现状况，跟它内部比表面积、孔道结构以及孔径分布等结构特性密切有关系，处在多种金属离子同时存在的体系里，若金属离子直径与孔道尺寸呈现匹配情形时，更易于出现“进入–吸附–固定”的过程，尤其在改性后产生多级孔结构的时候，大孔和介孔为分子扩散开辟通道，小孔进一步深化离子筛分及表面配位关系。

不同类型的金属离子会与复合改性后形成的多元活性位点产生多重交互，好比静电吸附造成的作用、络合引起的反应、表面配位产生的现象等，伴随孔道结构得以优化及表面积增大，既利于金属离子更顺畅地扩散到材料内部，亦能提升不同金属离子同时被截留的几率，进而达成多金属离子协同去除效率的增进。

2.2改性组分与表面官能团

在已完成复合改性的分子筛内，改性组分和负载的金属/氧化物纳米颗粒时常携带大量活性官能团，诸如羟基、氨基、巯基、羧基等基团，金属离子能跟这些官能团形成配位或螯合的反应，造就稳定的络合结构体，面对多金属离子构建起来的体系，具备多功能官能团的改性分子筛优势愈发明显，因其可在同一材料上同时与不同价态、不同离子半径的金属离子发生相互作用。

于碱性条件里 特定改性组分可生成不溶性金属沉淀及氢氧化物，以此进一步强化对金属离子的捕捉能力，倘若改性组分可与分子筛骨架形成显著的化学键合或协同配位效应，就可在提升吸附性能的时段，还可强化其在酸碱环境里的稳定性以及可循环再生本领。

2.3离子竞争与溶液环境因素

在多金属离子协同去除过程里，时常面临离子相互的竞争吸附以及溶液环境（诸如pH、离子强度、共存离子和温度等）的影响，在多金属共存的体系中，分子筛吸附位点与不同金属离子间的亲和力往往有别，容易于材料的表面跟孔道当中形成“先占位”，进而引发对剩余金属离子的阻碍，为达成多金属离子协同去除效能，需统筹考虑改性组分与分子筛本体对不同金属离子的选择性，最大程度减小彼此的竞争效应。

离子形态及表面官能团的电荷分布直接受溶液pH值的影响，一般在呈现弱酸或接近中性情形下，绝大多数重金属离子以阳离子的形态留存，便于在带负电以及富含可络合官能团的材料表面实现吸附，若处于偏酸性的环境里，竞争效应体现得相对显著，某些金属离子或许因氢离子的过量情况而难以有效吸附，此外吸附平衡和扩散速率会被溶液的离子强度及温度所影响，正常情况下温度可让分子扩散速度提高，促进吸附进程的开展，不过会引起吸附势的变动，过高温度甚至会让分子筛里的某些敏感官能团被破坏掉。

3.结语

复合改性分子筛在多金属离子协同去除领域展现了良好的应用潜力。通过复合改性，材料具有更大的比表面积、更丰富的官能团以及更加可控的孔道结构，可有效应对复杂废水体系中的多种金属离子。同时，多种改性方式的叠加可增强复合材料的离子交换、络合吸附以及沉淀捕获等多重机理，从而在多金属体系下取得高效的协同去除效果。要实现复合改性分子筛的大规模推广与应用，仍需在以下方面不断完善，针对不同类型的工业废水与特定金属离子体系，需开发定制化的改性方案，并通过深入的机理研究优化复合材料的结构设计。

参考文献：

[1]闫如玉，聂圆，李梅，等.大豆油基硫醚多元醇/乙基纤维素超分子复合膜的制备与性能研究[J].西南林业大学学报（自然科学），2024，44（06）：158-167.

[2]周育名，张凯，郭云龙，等.PPA复合改性对沥青-集料黏附及其水稳定性影响研究[J].中国公路学报，2024，37（06）：317-330.

作者简介：刘鑫，男，辽阳，高级工程师，研究生学历，市政工程技术

本文系2024 年度辽宁建筑职业许愿校级教（科）研项目（科技类）项目，项目名称：分子筛改性对水中重金属吸附效果研究，项目编号：JZXYKYKT-202402。