Ag作為一種貴金屬，被廣泛用于電子技術(shù)、珠寶加工、金屬防腐蝕、攝影和醫(yī)療等領(lǐng)域，同時(shí)產(chǎn)生了大量工業(yè)廢水。隨著工業(yè)需求的日益增加，從含Ag廢水中回收Ag（Ⅰ）具有重要的意義。在傳統(tǒng)的分離方法中，化學(xué)法和電解法不適用于復(fù)雜水體中低濃度Ag（Ⅰ）的回收；萃取法、離子交換法和吸附法操作成本高，工藝繁瑣。Ag（Ⅰ）具有較強(qiáng)的還原能力，在電沉積過(guò)程中無(wú)需添加大量還原劑，可減少化學(xué)試劑的污染，因此在濕法冶金中通過(guò)電沉積法回收Ag（Ⅰ）是一種常規(guī)技術(shù)。純度是確定貴金屬回收質(zhì)量的關(guān)鍵因素。工業(yè)廢水中Ag（Ⅰ）濃度通常較低，并且會(huì)與一些高價(jià)金屬離子如Fe（Ⅲ）、Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）等共存，在電沉積提取Ag（Ⅰ）過(guò)程中會(huì)影響其純度。通過(guò)與其他技術(shù)耦合提高選擇性，降低雜質(zhì)離子含量有利于得到高純度的貴金屬Ag。有研究表明，荷正電性的金屬有機(jī)骨架（MOFs）摻雜可以提高膜萃取材料對(duì)高價(jià)金屬離子的排斥作用。為此，筆者制備了摻雜ZIF-8的聚合物包容膜（PD-PIM），以提高Ag（Ⅰ）的膜萃取選擇性；并設(shè)計(jì)了ZIF-PD-PIM耦合電沉積體系，優(yōu)化ZIF-8添加量、電極面積和操作電壓等參數(shù)，考察Ag（Ⅰ）相對(duì)于Fe（Ⅲ）、Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）等干擾離子的分離選擇性，旨在為貴金屬工業(yè)廢水的綜合治理提供高效、綠色處理技術(shù)。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

聚氯乙烯（PVC）和二（2-乙基己基）磷酸酯（D2EHPA）購(gòu)自天津恒興化學(xué)試劑有限公司；2-甲基咪唑（2-Hmim）購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司；硝酸銀（AgNO3）、硝酸鐵、硝酸鋅、硝酸銅購(gòu)自天津市大茂化學(xué)試劑廠；硫脲、硝酸購(gòu)自天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；硝酸鎘、四氫呋喃（THF）購(gòu)自西安化學(xué)試劑廠。實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純。

1.2 ZIF-8材料的合成

ZIF-8的合成方法參照文獻(xiàn)，將1.02g的Zn（NO3）2·6H2O溶于7g去離子水中，置于燒杯1中；再稱取19.77g的2-Hmim溶于70g去離子水中，置于燒杯2中；燒杯1和2通過(guò)超聲溶解試劑，將燒杯1和2中的溶液混勻、機(jī)械攪拌溶解后轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，密封后放入150℃恒溫鼓風(fēng)干燥箱中反應(yīng)3h，然后將反應(yīng)釜冷卻至室溫，樣品經(jīng)充分水洗、離心、干燥后得到白色晶體ZIF-8。

1.3 ZIF-PD-PIM膜的制備

將定量ZIF-8與四氫呋喃混合超聲30min；再加入一定量的D2EHPA，超聲10min；之后加入四氫呋喃溶解的PVC（0.25g）并超聲30min，然后機(jī)械攪拌10~12h，將鑄膜液倒入培養(yǎng)皿中，用保鮮膜覆蓋，在相對(duì)濕度為28%、30℃恒溫的烘箱中，通過(guò)溶劑揮發(fā)得到ZIF-PD-PIM。基于ZIF-8的質(zhì)量百分比，將其命名為ZIF-PD-PIM-xZ，其中x為與0.25gPVC相對(duì)應(yīng)的ZIF-8添加量，選取厚度為（200±5）μm的膜進(jìn)行傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

1.4 表征與分析

采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察薄膜的表面和斷面。膜斷面通過(guò)液氮淬斷，具體操作步驟為：用鑷子夾住膜兩邊，放入盛有液氮的燒杯中，一定時(shí)間后，取出夾斷，取新鮮斷面觀察分析，樣品測(cè)試前進(jìn)行60s的真空鍍金。采用傅里葉漫反射紅外光譜儀（ATR-FTIR）研究膜組分間的相互作用，掃描范圍為500~4000cm-1。采用N2吸附-脫附和X射線衍射儀（XRD）測(cè)定ZIF-8的孔徑和結(jié)晶度。采用Zeta電位分析儀測(cè)定ZIF-8和膜的表面電荷。

1.5 耦合體系對(duì)Ag(Ⅰ)的傳質(zhì)與分離

1.5.1 對(duì)Ag(Ⅰ)的傳質(zhì)

傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)在用PIM分隔的兩個(gè)容器，且解吸相中附以石墨為陽(yáng)極、銅為陰極的裝置中進(jìn)行，如圖1所示。膜的有效面積為3.14cm2，料液相為酸性的Ag（Ⅰ）溶液，解吸相為硫脲溶液，有效體積為100mL，傳質(zhì)在30℃、400r/min條件下進(jìn)行，每隔1h分別在兩相取樣0.5mL，同時(shí)補(bǔ)充0.5mL去離子水。采用原子吸收法測(cè)定兩相溶液中的Ag（Ⅰ）濃度。

ZIF-PD-PIM傳質(zhì)Ag（Ⅰ）的速率常數(shù)（k）通過(guò)一級(jí)反應(yīng)方程計(jì)算得出：

通過(guò)ln（C0/C）t對(duì)時(shí)間作圖，得出滲透系數(shù)（P）：

當(dāng)Ag（Ⅰ）的料液相濃度恒定時(shí)，通過(guò)P可以表征初始通量（J0）的變化：

料液相中Ag（Ⅰ）的去除率（Re）、解吸相中Ag（Ⅰ）的回收率（R）f和沉積百分率（Rd）計(jì)算方法如下：

式中：k為速率常數(shù)，s-1；C0為料液相中Ag（Ⅰ）的初始濃度，mg/L；Ct為t時(shí)刻料液相中的Ag（Ⅰ）濃度，mg/L；Cs為t時(shí)刻解吸相中的Ag（Ⅰ）濃度，mg/L；A為膜的有效面積，cm2；V為料液相體積，mL；P為膜對(duì)Ag（Ⅰ）的滲透系數(shù)，μm/s；J0為膜對(duì)Ag（Ⅰ）的初始通量，mg/（103m2·s）。

1.5.2 對(duì)Ag(Ⅰ)的分離選擇性

實(shí)驗(yàn)以pH=1.3，含Ag（Ⅰ）、Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、Fe（Ⅲ）的硝酸鹽混合溶液為料液相（金屬離子濃度均為20mg/L），以0.6mol/L硫脲溶液為解吸相，以選擇性分離因子（S）為評(píng)價(jià)ZIF-PD-PIM耦合電沉積系統(tǒng)選擇性分離Ag（Ⅰ）的參數(shù)。

2、結(jié)果與討論

2.1 ZIF-8的理化性質(zhì)

圖2為ZIF-8的N2吸附-脫附等溫曲線、XRD和SEM圖。

從圖2可以看出，與ZIF-8顆粒有關(guān)的特征峰位于2θ=7.3°、10.3°、12.7°、14.7°、16.4°、18.2°、19.5°、22.5°、24.6°、25.8°、26.7°和29.7°處，分別與（011）、（002）、（112）、（022）、（013）、（222）、（123）、（114）、（233）、（224）、（134）和（044）晶面相對(duì)應(yīng)，這與文獻(xiàn)的研究結(jié)果一致，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)成功合成了ZIF-8。ZIF-8顆粒吸附等溫線為Ⅰ型，表明樣品具有微孔材料的典型特征。ZIF-8的比表面積為1043.45m2/g，孔體積為0.77cm3/g，平均孔徑為3.95nm。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明，ZIF-8具有較大的孔容和適宜的外形尺寸，引入PIM中將有利于載體的儲(chǔ)存，并能夠豐富PIM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.2 ZIF-PD-PIM的理化性質(zhì)

不同樣品的紅外光譜如圖3所示。可以看出，D2EHPA在1007cm-1處的P—OH伸縮振動(dòng)吸收峰，由于PVC中Cl原子基團(tuán)的偶極作用影響而極性增強(qiáng)，導(dǎo)致其吸收波向短波方向移動(dòng)（藍(lán)移）。這說(shuō)明D2EHPA和PVC之間存在的偶極相互作用得到了固定。在ZIF-PD-PIM-2Z中，3423、1625、763cm-1處分別出現(xiàn)了ZIF-8的合成單體的N—H伸縮振動(dòng)峰、C—N拉伸振動(dòng)峰和芳香環(huán)中C—H彎曲振動(dòng)峰，以上結(jié)果說(shuō)明ZIF-8被成功引入PIM中。

表1顯示了ZIF-8和PIM在不同pH環(huán)境中的Zeta電位�？芍�，當(dāng)pH由3增至9時(shí)，ZIF-8的Zeta電位由29.60eV逐漸降到-25.11eV，等電點(diǎn)為5.5eV。ZIF-8在pH<5的環(huán)境中能維持較高的正電性，而當(dāng)pH>5后Zeta電位迅速下降，這與其在接近等電點(diǎn)（5.5eV）時(shí)體系不穩(wěn)定、易受溶液環(huán)境影響有關(guān)，而且在堿性條件下溶液中的OH會(huì)對(duì)ZIF-8表面正電荷產(chǎn)生中和甚至改變其荷電行為，高的荷正電性將有利于PIM選擇性的提升。引入ZIF-8以后PD-PIM膜表面的Zeta電位有所提升，這與ZIF-8自身的荷正電性有關(guān)。PIM膜表面電荷的提高，有利于降低PIM中載體與高價(jià)陽(yáng)離子的絡(luò)合速率，進(jìn)而有利于提高ZIF-PD-PIM的分離選擇性。

PIM樣品的SEM圖像見(jiàn)圖4。ZIF-PD-PIM-2Z膜表面相對(duì)平整光滑，但能看到少許ZIF-8的團(tuán)聚體，EDS數(shù)據(jù)顯示膜表面Zn的分布相對(duì)均勻。綜合分析SEM和EDS譜圖后認(rèn)為，ZIF-8在PIM基體內(nèi)分布相對(duì)均勻，膜表面出現(xiàn)的少量團(tuán)聚體與ZIF-8自身的分散性不足有關(guān)，部分ZIF-8發(fā)生的輕微團(tuán)聚并不會(huì)影響膜的整體傳質(zhì)性能。由斷面圖可知，ZIF-8的引入使PD-PIM斷面的粗糙度增加，進(jìn)而豐富了PD-PIM內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多重性。膜表面ZIF-8及其攜帶的載體使PIM的傳質(zhì)速率增加，多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更有利于增加PIM的離子通量。

2.3 耦合體系對(duì)Ag(Ⅰ)的傳質(zhì)與分離效果

2.3.1 ZIF-8添加量的優(yōu)化

在料液相為pH=1.3、20mg/L的Ag（Ⅰ）溶液，解吸相為0.6mol/L的硫脲，電壓為1.5V，電極面積為4.8cm2的條件下，ZIF-8添加量對(duì)Ag（Ⅰ）傳質(zhì)的影響見(jiàn)圖5�？芍�，PD-PIM膜對(duì)Ag（Ⅰ）的滲透系數(shù)為11.08μm/s，而ZIF-PD-PIM系列的聚合物包容膜對(duì)Ag（Ⅰ）的最大滲透系數(shù)可達(dá)到13.67μm/s。這是因?yàn)槟ぶ幸�入�?/span>ZIF-8對(duì)膜內(nèi)載體具有一定的吸附作用，在保持膜內(nèi)載體絕對(duì)含量的前提下，降低了D2EHPA對(duì)膜的塑化作用，使得膜內(nèi)黏度降低，傳質(zhì)速率提高。但當(dāng)引入的ZIF-8過(guò)多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致膜內(nèi)游離的載體量降低，不足以形成可供絡(luò)合物傳輸?shù)倪B續(xù)通道，進(jìn)而使得傳質(zhì)速率降低。

2.3.2 電沉積操作電壓的優(yōu)化

在料液相為pH=1.3、20mg/L的Ag（Ⅰ）溶液，解吸相為0.6mol/L的硫脲，電極面積為4.8cm2的條件下，將不同電壓施加到解吸相中，對(duì)ZIF-PDPIM-2Z傳質(zhì)Ag（Ⅰ）的影響見(jiàn)圖6。

從圖6可以看出，隨著電壓的升高，滲透系數(shù)從6.93μm/s增至13.67μm/s，這是由于Ag（Ⅰ）易于電沉積，使得膜兩側(cè)Ag（Ⅰ）濃度梯度增加，進(jìn)而傳質(zhì)速率提升。在1.5~2.0V電壓范圍內(nèi)，Ag（Ⅰ）的傳質(zhì)速率變化緩慢。此后，隨著電壓進(jìn)一步提高至2.5V，Ag（Ⅰ）的傳質(zhì)速率急劇下降。這是因?yàn)樵诟唠妷海?/span>2.5V）下，SCN被氧化為硫并覆蓋在膜的表面，堵塞了膜中的微孔，從而降低了Ag（Ⅰ）的傳質(zhì)速率。

2.3.3 電沉積極板面積的優(yōu)化

在料液相為pH=1.3、20mg/L的Ag（Ⅰ）溶液，解吸相為0.6mol/L的硫脲，電壓為1.5V的條件下，電極面積對(duì)ZIF-PD-PIM-2Z傳質(zhì)Ag（Ⅰ）的影響見(jiàn)圖7�？梢钥闯�，隨著電極面積的增加，滲透系數(shù)逐漸增加，這是由于電極面積的增加使得電沉積在銅電極上的單質(zhì)Ag量增加，兩相Ag（Ⅰ）濃度差變大，傳質(zhì)速率增加。

2.4 耦合體系中Ag(Ⅰ)的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)

在料液相為pH=1.3、20mg/L的Ag（Ⅰ）溶液，解吸相為0.6mol/L硫脲的條件下，ZIF-PD-PIM對(duì)Ag（Ⅰ）的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)見(jiàn)圖8。從圖8（a）可以看出，未引入ZIF-8、傳質(zhì)24h后，料液相溶液中的Ag（Ⅰ）濃度從20mg/L下降至5.54mg/L，而引入ZIF-8后Ag（Ⅰ）濃度下降至3.55mg/L（萃取率為81.27%），解吸相溶液中的Ag（Ⅰ）濃度成比例增加。當(dāng)在解吸相中施加電壓時(shí)，料液相溶液中的Ag（Ⅰ）濃度從20mg/L迅速下降至1.89mg/L，并且13h后，萃取率提高至90.0%。在解吸相階段，Ag（Ⅰ）濃度保持在非常低的水平，這意味著大部分Ag（Ⅰ）沉積在陰極銅上；以料液相中Ag（Ⅰ）初始濃度和t時(shí)刻Ag（Ⅰ）濃度之比的對(duì)數(shù)ln（C0/C）t與分離時(shí)間t作圖，結(jié)果如圖8（b）所示，得到線性相關(guān)系數(shù)為0.9995、0.9993和0.9973的直線，表明ZIF-PD-PIM耦合電沉積對(duì)Ag（Ⅰ）的傳質(zhì)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)。

2.5 耦合體系對(duì)Ag(Ⅰ)的分離選擇性

PD-PIM和ZIF-PD-PIM對(duì)Ag（Ⅰ）的分離選擇性如表2所示�？芍�，未耦合電沉積時(shí)（電壓=0V），ZIF-PD-PIM-2Z對(duì)Ag（Ⅰ）的傳質(zhì)選擇性比PDPIM要高，這與ZIF-8的引入提高了ZIF-PD-PIM2Z的表面荷電性，在pH=1.3溶液環(huán)境中，膜表面及其內(nèi)部荷正電性的ZIF-8對(duì)高價(jià)陽(yáng)離子能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的排斥性有關(guān)，其中SAg（Ⅰ）/Fe（Ⅲ）和SAg（Ⅰ）/Cd（Ⅱ）的提升幅度高于SAg（Ⅰ）/Zn（Ⅱ）和SAg（Ⅰ）/Cu（Ⅱ）。這歸因于Fe（Ⅲ）受到ZIF-8的排斥作用更強(qiáng)，而Cd（Ⅱ）與D2EHPA形成了體積更大的配合物（CdR2·4HR），受ZIF-8內(nèi)部孔徑尺寸的限制，傳質(zhì)受到抑制。與電沉積耦合后（電壓=1.5V），除Fe（Ⅲ）之外，PD-PIM系統(tǒng)中Ag（Ⅰ）相對(duì)于Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）和Zn（Ⅱ）三種離子的選擇性均低于未耦合前，這與電場(chǎng)可加速陽(yáng)離子的移動(dòng)速率、且高價(jià)陽(yáng)離子受益更強(qiáng)有關(guān)。在ZIF-PD-PIM-2Z耦合電沉積體系中，Ag（Ⅰ）相對(duì)其他4種金屬離子的選擇性較PD-PIM耦合電沉積體系大幅提升，特別是SAg（Ⅰ）/Fe（Ⅲ）和SAg（Ⅰ）/Cd（Ⅱ）分別提升至20.12和15.97，這依然歸功于ZIF-8的正電性提高了ZIF-PD-PIM-2Z表面的荷電性后，對(duì)高價(jià)陽(yáng)離子的電荷排斥作用。這也說(shuō)明，不同于傳統(tǒng)PIM材料，經(jīng)過(guò)ZIF-8等荷正電性MOF材料改性后的PIM，這類高選擇性的膜萃取材料可以有效提升電沉積提取回收貴金屬的純度。

ZIF-PD-PIM耦合電沉積體系在1.5V的操作電壓下運(yùn)行10h后，對(duì)陰極Cu極板進(jìn)行EDS能譜分析。結(jié)果顯示，除去Cu陰極自身的貢獻(xiàn)，以及因解吸相中SCN被還原的單質(zhì)C、N、S元素外，其他4種金屬離子中Ag的含量最高，初步說(shuō)明了在高選擇性的膜萃取耦合下電沉積技術(shù)提取貴金屬的純度可得到進(jìn)一步的改善。

3、結(jié)論

①將一種高荷正電性的MOFs材料ZIF-8成功引入到聚合物包容膜PD-PIM中，在改善PD-PIM內(nèi)部結(jié)構(gòu)、提升傳質(zhì)速率的同時(shí)，有效提高了PDPIM表面的荷電性，大幅提升了PD-PIM對(duì)一價(jià)金屬離子（相對(duì)于高價(jià)金屬離子）的分離選擇性。

②ZIF-PD-PIM耦合電沉積體系中，在ZIF-8添加量為2%、電壓為1.5V的最佳條件下，Ag（Ⅰ）的滲透系數(shù)可提高至13.67μm/s，并隨著陰極板面積的增加而增大。

③ZIF-PD-PIM耦合電沉積提升了Ag（Ⅰ）相對(duì)于Fe（Ⅲ）、Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Cd（Ⅲ）的分離因子，受金屬離子價(jià)態(tài)和配合物體積的影響，Ag（Ⅰ）相對(duì)于Fe（Ⅲ）和Cd（Ⅱ）的分離因子可分別提高到20.12、15.97。耦合ZIF-PD-PIM可有效提高電沉積處理貴金屬工業(yè)廢水時(shí)陰極板上貴金屬的回收質(zhì)量。（來(lái)源：西安建筑科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西省膜分離重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安金藏膜環(huán)保科技有限公司）