復(fù)合材料PHEMA/SiO2對(duì)日落黃的吸附研究

楊瑩張立

（安慶醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校，安徽 安慶 246052）

復(fù)合材料PHEMA/SiO2對(duì)日落黃的吸附研究

楊瑩張立

（安慶醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校，安徽 安慶 246052）

文章將聚甲基丙烯酸β-羥乙酯接枝到硅膠表面，制備了可重復(fù)利用的環(huán)境友好復(fù)合材料PHEMA/SiO2，研究其對(duì)廢水中染料日落黃的吸附特性。靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)吸附時(shí)間為10 h，pH值為2.0時(shí)，復(fù)合材料PHEMA/SiO2對(duì)日落黃的最大吸附量可達(dá)46.3 mg/g，復(fù)合材料對(duì)日落黃的吸附主要來(lái)自靜電相互作用力。

復(fù)合材料；日落黃；吸附

在食品、紡織、皮革以及造紙等工業(yè)生產(chǎn)中，每年會(huì)產(chǎn)生大量的染料，這些染料大多數(shù)都具有毒性[1]，不僅對(duì)人類健康構(gòu)成了巨大威脅，而且對(duì)環(huán)境造成了不可逆轉(zhuǎn)的破壞。日落黃屬于偶氮型合成染料，在食品以及藥品的染色工藝中廣泛應(yīng)用[2]，若長(zhǎng)期、大量攝入日落黃會(huì)對(duì)人的肝臟和腎臟造成危害，輕者會(huì)產(chǎn)生腹瀉或過(guò)敏癥狀，重者會(huì)帶來(lái)致癌的可能[3]。因此，有效去除水環(huán)境中的染料日落黃是擺在科研人員面前的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。

硅膠是一種無(wú)毒害且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的物質(zhì)，在微米級(jí)或納米級(jí)硅膠以及某些金屬氧化物等無(wú)機(jī)微粒表面接枝功能聚合物所制得的聚合物/無(wú)機(jī)復(fù)合材料既兼具了聚合物大分子的特性，又具備了無(wú)機(jī)微粒的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，因此復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于酶的固定化、廢水處理以及色譜分析等領(lǐng)域[4]。聚甲基丙烯酸β-羥乙酯（PHEMA）是一種具有生物相容性與血液相容性的功能聚合物，在環(huán)境、生物與材料科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本研究將聚甲基丙烯酸β-羥乙酯接枝到硅膠表面制備復(fù)合材料PHEMA/SiO2用于吸附廢水中染料日落黃，是一種環(huán)境友好的吸附材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 復(fù)合材料PHEMA/SiO2的制備

將硅膠與甲烷磺酸水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)是5%）混合，在室溫下攪拌5 h，用蒸餾水多次洗滌，真空干燥24 h后得到活化硅膠。取10 g活化硅膠與乙醇水溶液混合 （乙醇與水的體積比為1:1），再加入10 mLγ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷（KH-570），將溫度升至 55℃，持續(xù)反應(yīng) 24 h，反應(yīng)結(jié)束后將產(chǎn)物用乙醇洗滌3次，真空干燥即制得偶聯(lián)了KH-570的硅膠。向裝好回流冷凝管、溫度計(jì)和攪拌器的四口燒瓶中倒入蒸餾水350 mL、偶聯(lián)了KH-570的硅膠10 g以及甲基丙烯酸β-羥乙酯10 mL，通入N2并加入0.1 g引發(fā)劑過(guò)硫酸銨，在65℃下反應(yīng)24 h。產(chǎn)物用乙醇反復(fù)洗滌，真空干燥后即得到硅膠表面接枝了聚合物PHEMA的復(fù)合材料PHEMA/SiO2。

1.2 動(dòng)力學(xué)吸附

在25℃下，pH值為2.0時(shí)，向裝有初始濃度為80 mg/L的日落黃錐形瓶中各倒入0.1 g復(fù)合材料PHEMA/SiO2， 分別恒溫振蕩 1h、2h、4h、6h、8 h、10 h、12 h 以及 14 h，取上層清液，測(cè)定日落黃濃度。（日落黃在481 nm處具有特征吸收，故采用紫外分光光度法測(cè)定吸附前后日落黃濃度的變化）。

1.3 等溫吸附

在25℃下，pH值為2.0時(shí)，配制濃度系列變化的日落黃溶液：10mg/L、30mg/L、50mg/L、70mg/L、90 mg/L、120 mg/L、150 mg/L 各 60 mL， 分別加入0.1 g復(fù)合材料PHEMA/SiO2，恒溫振蕩，10 h后取上層清液，測(cè)定日落黃濃度，繪制平衡吸附量Qe隨平衡濃度Ce的變化曲線。平衡吸附量計(jì)算公式為：Qe=（C0-Ce）V/1000m， 式中 C0、Ce分別為吸附前和吸附平衡后溶液中日落黃的濃度（g/L），V為吸附液體積 （mL），m為復(fù)合材料PHEMA/SiO2的質(zhì)量（g）。

1.4 pH值的影響

向裝有60 mL初始濃度為80 mg/L的日落黃錐形瓶中分別加入0.1 g復(fù)合材料PHEMA/SiO2，用稀鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液的pH值，使各錐形瓶中溶液 pH 值分別為 2.0、3.0、4.0、6.0、8.0、10.0以及11.0，在25℃下恒溫振蕩10 h，取上層清液測(cè)定日落黃濃度，繪制平衡吸附量Qe隨溶液pH值的變化曲線，考察吸附量隨pH值的變化情況。

1.5 日落黃的解吸

為了評(píng)估復(fù)合材料PHEMA/SiO2的重復(fù)使用性能，進(jìn)行了解吸實(shí)驗(yàn)測(cè)試：將飽和吸附了日落黃的復(fù)合材料PHEMA/SiO2分別裝在pH值為8.0、9.0、10.0、11.0 以及 12.0 的溶液中，在 25℃下恒溫振蕩24h，計(jì)算解吸率，繪制解吸率隨溶液pH值的變化曲線。解吸率的計(jì)算公式為：解吸率（%）=（解吸日落黃的量/被吸附日落黃的量）×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料PHEMA/SiO2的紅外光譜分析

圖1為硅膠微粒接枝PHEMA前后的紅外光譜圖。從圖中可知，硅膠在3440 cm-1附近的寬峰是硅羥基以及吸附水相關(guān)的吸收峰。偶聯(lián)了KH-570后的硅膠（MPS-SiO2）在3440 cm-1附近的吸收峰顯著減弱，在2950 cm-1處出現(xiàn)了C-H鍵的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，1735 cm-1處出現(xiàn)了羰基C=O鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，并在1297 cm-1處出現(xiàn)了酯基C-O-C的伸縮振動(dòng)吸收峰，上述變化表明KH-570已經(jīng)偶聯(lián)到了硅膠表面生成了MPS-SiO2。從PHEMA/SiO2譜線可以看出，由于醇羥基的引入，使3440 cm-1附近的吸收峰又大大加強(qiáng)了，2950 cm-1處的C-H鍵不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰、1735cm-1處的羰基吸收峰，以及1297 cm-1處的酯基吸收峰均明顯加強(qiáng)，這些變化表明PHEMA已經(jīng)與MPS-SiO2發(fā)生了反應(yīng)，形成了復(fù)合材料PHEMA/SiO2。

圖1 PHEMA/SiO2接枝前后的紅外光譜圖

2.2 復(fù)合材料PHEMA/SiO2的形貌

圖2中（a）和（b）分別為硅膠微粒接枝PHEMA前后的掃描電鏡照片。由（a）圖可見(jiàn)，硅膠微粒在沒(méi)有接枝PHEMA前表面比較粗糙，凹凸不平，但是接枝PHEMA后表面變得相對(duì)光滑平整（如圖2中 （b）所示），這是由于接枝的大分子PHEMA將硅膠凹凸表面填補(bǔ)包覆所致。

圖2 硅膠和PHEMA/SiO2的掃描電鏡照片

2.3 動(dòng)力學(xué)吸附研究

圖3為復(fù)合材料PHEMA/SiO2對(duì)日落黃的動(dòng)力學(xué)吸附曲線，由圖可知，吸附量隨吸附時(shí)間的進(jìn)行而逐漸增大，當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到10 h后，對(duì)日落黃的吸附量基本不隨時(shí)間的變化而發(fā)生改變，說(shuō)明此時(shí)吸附量已經(jīng)趨于飽和，因此，確定動(dòng)力學(xué)吸附時(shí)間為10 h。

圖3 動(dòng)力學(xué)曲線

2.4 吸附等溫線

圖4為復(fù)合材料PHEMA/SiO2對(duì)日落黃的吸附等溫線，可以看出，隨著溶液平衡濃度的增大，對(duì)日落黃的平衡吸附量也在不斷增大，當(dāng)日落黃的平衡濃度為72.8mg/L時(shí)（初始濃度為150mg/L），復(fù)合材料PHEMA/SiO2對(duì)日落黃的吸附量達(dá)到最大值，可達(dá)46.3 mg/g。

圖4 對(duì)日落黃的等溫吸附線

2.5 pH對(duì)吸附性能的影響

圖5為pH值對(duì)復(fù)合材料PHEMA/SiO2吸附日落黃的影響曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)pH值小于6時(shí)，復(fù)合材料PHEMA/SiO2對(duì)日落黃的吸附量隨pH值的減小而顯著升高，當(dāng)pH值為2.0時(shí)對(duì)日落黃的吸附量達(dá)到最大值；當(dāng)pH值大于6時(shí)，復(fù)合材料PHEMA/SiO2對(duì)日落黃的吸附量較小，且吸附量基本不隨pH值的改變而發(fā)生變化。這是因?yàn)楫?dāng)pH值越低時(shí)溶液中的質(zhì)子就越多，復(fù)合材料PHEMA/SiO2表面的羥基質(zhì)子化程度就越高[5]，也就是復(fù)合材料PHEMA/SiO2表面帶的正電荷越多。而日落黃是一種表面荷負(fù)電荷的陰離子染料，從而使得當(dāng)pH值越低時(shí)復(fù)合材料PHEMA/SiO2與日落黃之間的靜電相互吸引力就越強(qiáng)，導(dǎo)致吸附量就越高。

圖5 pH值對(duì)吸附日落黃的影響

2.6 解吸曲線

日落黃的解吸曲線如圖6所示，在pH值為8.0至12.0范圍內(nèi)對(duì)日落黃的解吸率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)pH值為11.0時(shí)，日落黃的解吸率達(dá)到83.7%。因此，控制溶液pH值為11.0時(shí)可達(dá)到最佳解吸效果，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料PHEMA/SiO2的重復(fù)利用。

圖6 不同pH值下落日黃的解吸曲線

3 結(jié)論

本研究將硅膠良好的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性及低成本的優(yōu)點(diǎn)與高分子材料聚甲基丙烯酸β-羥乙酯無(wú)毒害、具有生物相容性的優(yōu)點(diǎn)集合于一體，制備了復(fù)合材料PHEMA/SiO2。通過(guò)靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)考察其對(duì)廢水中染料日落黃的吸附特性，當(dāng)吸附時(shí)間為10 h，pH值為2.0時(shí)，復(fù)合材料PHEMA/SiO2對(duì)日落黃的最大吸附量可達(dá)46.3 mg/g，是一種既環(huán)保又可重復(fù)利用的材料，復(fù)合材料對(duì)日落黃的吸附主要來(lái)自靜電相互作用力，該復(fù)合材料對(duì)研究吸附法處理染料具有重要的參考意義。

[1]王培，王向宇，和婧，等.CTAB改性納米零價(jià)鐵的制備與橙黃II的降解[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016，（6）：2902-2908.

[2]王桂霞，孔翔飛.QARBC改性陽(yáng)離子型丙烯酰胺三元共聚物的絮凝性能[J].工業(yè)水處理，2014，（9）：44-46+50.

[3]林葵，江思華，陳秋虹，等.南寧部分地區(qū)雞、鴨肉制品中6種合成色素的測(cè)定[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，（23）：256-257.

[4]孟建，陳璐璐，李延斌，等.非水介質(zhì)中表面引發(fā)接枝聚合法制備接枝微粒PMAA/SiO2及其對(duì)阿魏酸的氫鍵吸附性能[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2015，（4）：646-652.

[5]陳萍華，蔣華麟，曹群，等.磁性氧化鋯/殼聚糖納米復(fù)合材料吸附日落黃的性能研究[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，（3）：69-77.

A STUDY OF THE EFFECT OF COMPOSITE MATERIAL PHEMA/SiO2 ON THE ABSORPTION OF SUNSET YELLOW

YANG YingZHANG Li
（Anqing Medical College，Anqing Anhui 246052）

When the poly 2-Hydroxyethyl methacrylate（PHEMA）is grafted on the surface of silica gel,the reusable and environment-friendly composite material PHEMA/SiO2can be prepared.The effect of PHEMA/SiO2on the absorption characteristic of sunset yellow in waste water is studied in this paper.Static adsorption experiments show that the composite material PHEMA/SiO2has strong adsorption property for sunset yellow due to the electrostatic interaction.When the adsorption time is 10 h and the PH value is 2.0,its maximum adsorption capacity to sunset yellow can reach 46.3 mg/g.

Composite material； Sunset yellow； Absorption

TS264.4

A

：1672-2868（2017）03-0073-04

責(zé)任編輯：李 曉

2017-03-09

安徽省2016年高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：gxyqZD2016509）

楊瑩(1982-)，女，河北唐山人。安慶醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校，副教授。研究方向：功能高分子材料。