聚丙烯酸鈉/竹炭復合材料的合成及其吸附性能研究

楊麗娟

甘肅省產品質量監(jiān)督檢驗東部分中心 甘肅 天水 741001

我國是紡織印染業(yè)大國，紡織印染業(yè)的廢水量居全國工業(yè)廢水的第五位，印染廢水的大量排放造成了嚴重的水污染，由于我國水資源短缺，印染廢水的處理備受人們的關注。竹炭有較大的比表面積和特殊的內部超細微孔結構，具有良好的吸附特性等優(yōu)點，加之在我國，竹林是重要的森林資源，竹子生長周期短，成材快，再生能力強，可以制成竹炭用于印染廢水的處理。目前對竹炭的研究才剛剛起步，竹炭對染料廢水的吸附性能還有待提高，對竹炭進行處理以提高吸附性能的方面的研究已成為一種趨勢。

本文利用水溶液聚合法，以丙烯酸、竹炭粉為原料，過硫酸銨為引發(fā)劑，N，N -亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，40oC的條件下，合成了新型復合吸附材料?？疾炝酥裉康牟煌恳约案男灾裉繉λ奈搅浚⒗梅止夤舛确y試樣品對剛果紅溶液、亞甲基藍溶液的吸附性能。通過對上述實驗的現(xiàn)象和結果分析，最終為制備得到新型多功能復合吸附材料奠定基礎。

1. 聚丙烯酸鈉/竹炭（改性竹炭）復合材料的合成

1.1 丙烯酸精制

架好蒸餾裝置，將丙烯酸倒入蒸餾裝置，打開真空泵，水浴75oC～80oC，調節(jié)轉速。蒸餾后的樣品放入冰箱待用。

1.2 竹炭的改性預處理

對竹炭進行了7種改性處理（以K2SO4改性竹炭為例）

1.2.1 K2SO4溶液的配制

在分析天平上準確稱取固體K2SO443.50g，在燒杯中溶解，定容于250mL容量瓶中，即配制成1mol/LK2SO4的溶液。

1.2.2 K2SO4竹炭的改性處理

在分析天平上稱取1號竹炭5.0g，放入250mL的圓底燒瓶中，取1mol/L K2SO4溶液100mL加入其中，將圓底燒瓶固定于恒溫攪拌器上，在室溫下機械攪拌2h（轉速控制在500-600轉/分)。攪拌結束后，真空水泵抽濾，用蒸餾水洗10-15遍（反復洗滌抽濾），105oC烘干后做標記，并進行粗稱量，放入干燥器內備用。

HCl、FeCl3、AlCl3、KOH、CaCl2、H3PO4對竹炭的改性處理方法同上。

1.3 聚丙烯酸鈉/竹炭（改性竹炭）復合材料的合成

1.3.1 稱取丙烯酸7.2g、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺0.0162g加入50mL燒杯中，在磁力攪拌器上，加入攪拌籽攪拌使之溶解，再加入8mol/LNaOH溶液7.5mL在冰水浴下使之中和；稱取一定量的竹炭，與中和液一同加入四口燒瓶中，40oC恒溫水浴加熱30min，同時通入N2保護，并以300rpm勻速攪拌；稱取0.08g過硫酸銨加入恒壓漏斗中，用5mL蒸餾水使之溶解，快速滴加至四口燒瓶后，40oC恒溫加熱10min，調節(jié)水浴溫度至60oC，恒溫反應3h；依照前面的步驟，改變竹炭含量和改性竹炭量。

1.3.2 反應結束后，將獲得的樣品撕成小塊，在80oC干燥箱中烘干，稱取其粗重，放入干燥器中待檢測。

1.3.3 樣品烘干后，用粉碎機粉碎，并用篩網選出60～100目(0.15～0.30mm)的產品作為實驗對象，稱重待用。

2. 亞甲基藍染料溶液標準曲線

2.1 配制50mg/L的亞甲基藍溶液，以此作為母液。采用稀釋法配制1mg/L，2mg/L，2.5mg/L，3mg/L，4mg/L的亞甲基藍染料溶液。

2.2 測最大吸收波長：取已配好的任意一濃度（1mg/L，2mg/L，2.5mg/L，3mg/L，4mg/L）的亞甲基藍染料溶液，且測其吸光度值在0.2～0.8之間（保證吸光度值在0.2～0.8之間，使測量誤差最小），以蒸餾水為空白，測得亞甲基藍染料溶液的最大吸收波長為667nm。在最大吸收波長667nm處 ，以蒸餾水為空白，分別測1mg/L，2mg/L，2.5mg/L，3mg/L，4mg/L的亞甲基藍染料溶液的吸光度。將測得的各個數(shù)據(jù)，用Excel軟件繪制以濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標的標準曲線（如圖2-1）

2.3 并得回歸方程為

圖2-1 亞甲基藍溶液標準曲線

3. 聚丙烯酸鈉/竹炭（改性竹炭）復合材料吸水性能測試

準備500mL燒杯、濾網，分別為燒杯、濾網，編號，稱取BC=（0、3.0、5.0、8.0、10.0、12.0、15.0、17.0、20.0 wt%）各0.0500g，以及改性竹炭系列（K2SO4、HCl、FeCl3、AlCl3、KOH、CaCl2、H3PO4）各0.0500g（m1）加入對應的燒杯，分別加入400mL蒸餾水，靜置4個小時，稱量濾網，記下數(shù)據(jù)m2，將產物用濾網過濾，并將過濾后的產物連同濾網一起置于對應燒杯之上，靜置10min，把產物連同濾網一起稱量，記下數(shù)據(jù)m3，則復合材料的吸水倍率Qw(g/g)按下式計算：

3.1 聚丙烯酸鈉/竹炭復合材料對亞甲基藍染料的吸附測試

3.1.1 稱取亞甲基藍若干，放入燒杯溶解，配制50mg/L的亞甲基藍溶液，記為C1。

3.1.2 準備100mL規(guī)格的燒杯若干，依次編號，用50ml移液管移入50mL一定濃度C1(mg/L)的染料溶液，稱取BC=（0、3.0、5.0、8.0、10.0、12.0、15.0、17.0、20.0 wt%）各0.0500g，分別加入對應編號的燒杯中，采用封口膜將所有的燒杯密封，然后放置于40oC的恒溫振蕩器中，以60轉/分，振蕩3.0 h。待吸附結束后，用濾網過濾，取上層清液測吸光度。然后根據(jù)染料標準曲線計算吸附后濃度C2(mg/L)，則復合吸附材料的吸附染料倍率Qd(mg/g)按下式計算：

3.1.3 相同條件，稱取經過改性后的竹炭系列K2SO4、HCl、FeCl3、AlCl3、KOH、CaCl2、H3PO4各0.0500g，按相同步驟測定吸附染料倍率。

4. 實驗結果與討論

4.1 竹炭含量對復合材料的吸附性能影響

表1-1不同的竹炭含量的吸附性能

由表1-1可看出，當BC=8.0%，吸附材料吸附性能達到了最大值，與未加入竹炭相比增加了2.5倍，效果明顯增加。但竹炭含量過高時，即BC=20.0%時，其吸水性能明顯降低，比沒加入的效果要差一些。因此，竹炭含量的加入要適當，應在5.0～15.0%。原因在于加入竹炭后與聚丙烯酸鈉形成了更加規(guī)整的三維結構，竹炭含量的增加有助于形成這樣的結構，而當竹炭含量過大時，三維結夠被過多的竹炭堵塞，不利于提高復合材料的吸水性能。

4.1.1竹炭含量對復合材料的吸水性能影響

圖2-2 不同含量的竹炭的吸水性能

從圖2-2中可以看出，隨著竹炭用量從0wt%到20wt%，復合材料的吸蒸餾水倍率由170.58g/g先上升到436.44g/g，后逐步降低到138.37g/g，整個曲線呈現(xiàn)拋物線形式。說明竹炭的引入對吸附材料吸水性能有改善作用，能夠提高其對蒸餾水的吸附性能。

4.1.2竹炭含量對復合材料的吸染料影響

圖2-3 不同含量的竹炭的吸水性能

從圖2-3中可以看出，該系列復合材料對亞甲基藍的吸附能力接近48mg/g，隨著竹炭的增加，其吸附性能變化不大。吸附亞甲基藍的能力與未加竹炭的相比相差不多，從產品的成本角度考慮，竹炭的引入有助于在保持一定染料吸附能力的同時，可降低產品的生產成本。而這一系列對于剛果紅不吸附，這是由于染料分子的電荷性質所決定的，從上面兩種染料的結構式可以看出，亞甲基藍為陽離子型染料，剛果紅為陰離子型染料，而復合吸附材料的聚合物網絡中存在大量COO-，因此與亞甲基藍染料分子發(fā)生靜電吸附，與剛果紅染料分子發(fā)生靜電排斥，導致上述吸附結果。

4.2 改性竹炭含量對復合材料的吸附影響

表1-2改性竹炭含量的吸附性能

圖2-4不同含量的竹炭的吸水性能

從2-4中可以看出，該改性竹炭系列復合材料對蒸餾水的吸附能力較好的是改性FeCl3竹炭。吸水倍率最差的改性HCl竹炭與未改性竹炭相比，吸水性能均有所增加。