以苯為原料合成超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂及其吸附性能

金秋，趙士舉，謝普會(huì)，蘇同福

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，河南 鄭州 450002）

吸附樹(shù)脂因?yàn)槠渥陨砭哂卸嗫住⒏呓宦?lián)度及高比表面等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的吸附能力，還具有很強(qiáng)的耐酸堿腐蝕能力和良好的再生性能.因此，吸附樹(shù)脂在環(huán)保、天然產(chǎn)物提取、化工原料回收等很多領(lǐng)域內(nèi)都得到廣泛的應(yīng)用［1－3］.超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂是1969年前蘇聯(lián)科學(xué)家Davankov等發(fā)明的，和普通吸附樹(shù)脂相比，超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)、較高的比表面積及良好的溶脹性和再生能力.目前，超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂的主要合成方法是對(duì)鏈狀或球狀聚苯乙烯進(jìn)行氯甲基化后交聯(lián)反應(yīng)，合成出苯乙烯骨架結(jié)構(gòu)的超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂.對(duì)超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂的研究工作也主要集中在對(duì)樹(shù)脂的骨架進(jìn)行改性修飾，以適應(yīng)不同類型物質(zhì)的吸附和分離［4－8］.

本研究是采用便宜易得的工業(yè)芳香小分子苯和氯甲醚在催化劑無(wú)水氯化鋅的作用下先對(duì)苯環(huán)進(jìn)行氯甲基化，然后，不經(jīng)分離，再利用苯環(huán)上取代的氯甲基在無(wú)水三氯化鐵作用下發(fā)生付－克烷基化聚合，一步得到比表面積較高、微孔結(jié)構(gòu)為主的超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂BE－CME.考慮到有機(jī)反應(yīng)不可能百分之百?gòu)氐走@一因素，經(jīng)過(guò)元素分析發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂BE－CME上還殘留有大量未反應(yīng)的氯甲基，于是，又把樹(shù)脂BE－CME 用有機(jī)溶劑進(jìn)行溶脹后加入催化劑進(jìn)行二次交聯(lián)，得到比表面積更大的超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂P－BE－CME.近年來(lái)，本課題組成功合成出系列新型非苯乙烯結(jié)構(gòu)的超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂，并對(duì)樹(shù)脂的性能進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作，取得了良好的效果［9－11］.

苯胺是化學(xué)工業(yè)過(guò)程中常見(jiàn)的污染物之一，本研究利用水溶液中苯胺為吸附對(duì)象，以國(guó)際市場(chǎng)上常用的吸附樹(shù)脂XAD－4為參照，系統(tǒng)地研究了超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂BE－CME 和P－BE－CME在不同溫度和濃度條件下對(duì)苯胺的吸附性能，無(wú)論是BE－CME或是P－BE－CME對(duì)水溶液中苯胺的吸附效果，均遠(yuǎn)好于相同條件下的XAD－4.

從合成成本和樹(shù)脂性能來(lái)講，本研究所提供的超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂的合成方法具有成本低、樹(shù)脂性能好、合成步驟簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).此法所合成的樹(shù)脂有望在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮其應(yīng)有的作用.

1 材料與方法

1.1 材料

苯（分析純），1，2－二氯乙烷（化學(xué)純），苯胺（分析純，用前減壓蒸餾），鹽酸（分析純），氯甲醚（用前蒸餾），丙酮、無(wú)水氯化鋅、無(wú)水三氯化鐵均為化學(xué)純.

1.2 儀器

傅里葉紅外光譜儀FT－IR2000（美國(guó)Perkin－Elmer）；比表面孔徑測(cè)定儀（NOVA4200e）；元素分析儀（FLASHEA 1112）；紫外光譜儀UV－2401PC，日本SHIMADZU 公司.

1.3 超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂BE－CME的制備

向100mL三口瓶中加入2.13mL苯、60mL硝基苯和3.6mL氯甲醚（CME）室溫下攪拌5min，加入3.912 3g無(wú)水ZnCl2，于40℃恒溫磁力攪拌反應(yīng)5h.加入0.901 5g無(wú)水FeCl3為催化劑，將體系反應(yīng)溫度升到70 ℃反應(yīng)15h 后，加入稀鹽酸加熱回流4h.將固體抽濾后用丙酮索氏提取，真空干燥至恒重，得2.378 5g樹(shù)脂BE－CME.反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)圖1.

圖1 樹(shù)脂的合成過(guò)程示意Fig.1 Synthesis process of the resins

1.4 超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂P－BE－CME的制備

稱取0.893 0g樹(shù)脂BE－CME于50mL三口瓶中，加入20mL二氯乙烷溶脹10h后，加入0.238 6g無(wú)水FeCl3，75℃恒溫磁力攪拌反應(yīng)8h.稀鹽酸加熱回流4h，抽濾、丙酮索氏提取、真空干燥后得0.579 8g樹(shù)脂P－BE－CME.

1.5 樹(shù)脂對(duì)苯胺的靜態(tài)吸附性能研究

配制質(zhì)量濃度分別為100，200，300，400，500，600，700 mg／L 的苯胺溶液50 mL，取干燥的樹(shù)脂BECME，P－BE－CME和XAD－4各0.050 0g，于溫度分別為290，300和310K 的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中100r／mim振蕩24h，達(dá)到吸附平衡后，取各自平衡后的溶液用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在280nm 處測(cè)定各自吸光度，計(jì)算平衡質(zhì)量濃度ρe 和平衡吸附量Qe，公式為

式中，Qe為平衡吸附量（mg／g），V 為溶液體積（L），W 為樹(shù)脂的質(zhì)量（g）.另以ρe 為橫坐標(biāo)，Qe為縱坐標(biāo)，作出3種樹(shù)脂在3個(gè)溫度點(diǎn)上對(duì)苯胺的吸附等溫線.

1.6 樹(shù)脂BE－CME和P－BE－CME對(duì)苯胺的靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)

稱取樹(shù)脂BE－CME和P－BE－CME各0.150 0g放入500mL錐形瓶中，加入質(zhì)量濃度為200mg／L的苯胺水溶液250mL.于溫度300K 轉(zhuǎn)速100r／min的恒溫振蕩器中震蕩.自放入時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔3～30min取樣，直至溶液吸光度不再變化.根據(jù)式（1）計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的吸附量Q.以時(shí)間t（min）為橫坐標(biāo)，Q（mg／g）為縱坐標(biāo)，繪制Q－t曲線.

2 結(jié)果

2.1 樹(shù)脂的物化特性

表1為樹(shù)脂BE－CME、P－BE－CME和XAD－4的一些基本物理結(jié)構(gòu)性能，從表1可以看出，后交聯(lián)以后樹(shù)脂P－BE－CME的比表面積變大，孔徑變小.元素分析結(jié)果表明，樹(shù)脂二次交聯(lián)以后，樹(shù)脂中的碳?xì)浜刻岣?，說(shuō)明樹(shù)脂BE－CME上的部分氯甲基參與了后交聯(lián)反應(yīng).

表1 樹(shù)脂的物化特性Tab.1 Properties of the resins

2.2 樹(shù)脂BE－CME和P－BE－CME的孔徑分布

圖2為樹(shù)脂BE－CME和P－BE－CME的孔徑分布，從圖2可以看出，樹(shù)脂P－BE－CME的孔徑較BE－CME的小，這說(shuō)明，樹(shù)脂交聯(lián)度越高，交聯(lián)越充分，內(nèi)部孔徑越小，同時(shí)，從圖2可以看出2種樹(shù)脂內(nèi)部均以微孔為主.

2.3 樹(shù)脂對(duì)苯胺的靜態(tài)吸附研究結(jié)果

圖3為樹(shù)脂BE－CME，P－BE－CME和XAD－4在溫度分別為290，300和310K 條件下對(duì)不同濃度苯胺溶液的吸附等溫線.從圖3可以看出，3種樹(shù)脂對(duì)苯胺的吸附能力都隨著溫度的升高而下降，說(shuō)明吸附是放熱過(guò)程.樹(shù)脂BE－CME和P－BE－CME在相同條件下對(duì)苯胺的吸附能力都遠(yuǎn)好于XAD－4.后交聯(lián)以后的樹(shù)脂PBE－CME的吸附能力優(yōu)于交聯(lián)前的BE－CME.

圖2 樹(shù)脂BE－CME 和P－BE－CME的孔徑分布Fig.2 Pore size distribution curves of resin BE－CME and P－BE－CME

圖3 樹(shù)脂對(duì)苯胺的吸附等溫線Fig.3 Adsorption isotherms of aniline adsorbed onto resins in aqueous solution

2.4 樹(shù)脂對(duì)苯胺的吸附等溫方程擬合

圖4是3種樹(shù)脂在溫度分別為290，300和310K 時(shí)，對(duì)苯胺的吸附等溫方程用Langmuir和Freundlich方程線性擬合的結(jié)果.

圖4 樹(shù)脂吸附苯胺過(guò)程的Langmuir和Freundlich擬合曲線Fig.4 Langmuir and Freundlich isotherms of the adsorption of aniline on resins

表2是3種樹(shù)脂對(duì)水溶液中苯胺的吸附過(guò)程的Freundlich和Langmuir等溫回歸方程相關(guān)參數(shù).從表2可以看出，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果用Langmuir擬合出樹(shù)脂的最大理論吸附值Qm，樹(shù)脂P－BE－CME 對(duì)苯胺的理論飽和吸附量遠(yuǎn)大于樹(shù)脂XAD－4.

表2 樹(shù)脂吸附水溶液中苯胺的Freundlich和Langmuir等溫方程擬合參數(shù)Tab.2 Correlated parameters for the adsorption isotherms of aniline onto resins according to Langmuir and Freundlich isotherm models

2.5 樹(shù)脂對(duì)苯胺的靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果

圖5 苯胺在2種樹(shù)脂上的靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.5 Adsorption kinetic curves of aniline onto the two resins

圖5是300K 下0.15g樹(shù)脂BE－CME和PBE－CME對(duì)水溶液中質(zhì)量濃度為200mg／L 的苯胺靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)曲線.從圖5可以看出，2種樹(shù)脂對(duì)同一種質(zhì)量濃度的苯胺溶液達(dá)到吸附平衡所需時(shí)間不同.樹(shù)脂BE－CME 吸附苯胺達(dá)到平衡所需時(shí)間比樹(shù)脂P－BE－CME稍短.原因歸結(jié)為樹(shù)脂P－BE－CME的交聯(lián)度更高，樹(shù)脂內(nèi)部孔徑更小，吸附質(zhì)擴(kuò)散相比樹(shù)脂BE－CME 困難.因此，樹(shù)脂PBE－CME在相同條件下吸附達(dá)到平衡需時(shí)較長(zhǎng).

2.6 樹(shù)脂對(duì)苯胺的吸附熱力學(xué)研究結(jié)果分析

圖6為3種樹(shù)脂對(duì)水溶液中苯胺的吸附等量線，選定平衡吸附量（Qe）分別為25，35和45mg／g 3個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)參考文獻(xiàn)處理方法［12］，求出對(duì)應(yīng)的熵變?chǔ)、焓變?chǔ)、自由能變?chǔ)，求得數(shù)值見(jiàn)表3.

3種樹(shù)脂對(duì)水溶液中苯胺的吸附的相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3，從表3中可以看到，3種樹(shù)脂對(duì)苯胺的吸附過(guò)程中的ΔH 均為負(fù)值，說(shuō)明3種樹(shù)脂吸附苯胺的過(guò)程均為放熱過(guò)程.3種樹(shù)脂吸附苯胺過(guò)程中的吉布斯自由能變?chǔ) 也均為負(fù)值，說(shuō)明吸附過(guò)程都是自發(fā)進(jìn)行的.物理吸附過(guò)程中的自由能變?chǔ) 一般為－20～0kJ／mol，從表3可以看出，所有樹(shù)脂對(duì)苯胺的吸附過(guò)程的ΔG 的值均處于這個(gè)范圍之內(nèi)，證明3種樹(shù)脂對(duì)苯胺的吸附過(guò)程是以物理吸附為主的.樹(shù)脂吸附苯胺過(guò)程的熵變?chǔ) 都負(fù)值，說(shuō)明吸附發(fā)生過(guò)程中，整個(gè)體系的混亂度是減少的，原因是混亂度很高的苯胺分子被吸附到樹(shù)脂上以后，體系整體混亂度下降.

圖6 3種樹(shù)脂對(duì)苯胺的吸附等量線Fig.6 Plots of lnCe with 1／Tfor the adsorption of aniline onto the three resins

表3 樹(shù)脂吸附水中苯胺的熱力學(xué)參數(shù)Tab.3 Adsorption thermodynamic parameters of aniline adsorbed onto the resins

3 討論

采用廉價(jià)易得的芳香小分子苯為基本原料，一步合成出比表面積高達(dá)812m2／g的超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂BE－CME；利用樹(shù)脂上殘留的部分氯甲基進(jìn)行2次交聯(lián)反應(yīng)，得到比表面積更大的非極性超高交聯(lián)吸附樹(shù)脂P－BE－CME，樹(shù)脂P－BE－CME的比表面積為974m2／g，在原有的基礎(chǔ)上提高了20%.樹(shù)脂BE－CME 的平均孔徑為1.714nm，以微孔為主，經(jīng)過(guò)2次交聯(lián)以后，樹(shù)脂P－BE－CME的內(nèi)部平均孔徑變?yōu)?.300nm，孔徑比交聯(lián)前減小，也是以微孔為主.通過(guò)幾種樹(shù)脂對(duì)水溶液中苯胺的吸附行為研究，結(jié)果表明，樹(shù)脂BE－CME 和P－BE－CME在相同條件下對(duì)苯胺的吸附量大幅超過(guò)XAD－4，這說(shuō)明，所合成樹(shù)脂對(duì)苯胺具有良好的吸附效果.3種樹(shù)脂對(duì)苯胺的吸附過(guò)程均為放熱過(guò)程，以物理吸附為主.靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明，后交聯(lián)后，樹(shù)脂孔徑變小，吸附達(dá)到平衡所需時(shí)間變長(zhǎng).本研究所提出的合成方法步驟簡(jiǎn)單，所得樹(shù)脂吸附效果良好，有望在以后的吸附和分離應(yīng)用過(guò)程中發(fā)揮應(yīng)有的作用.

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