AMPS/AA聚合物材料制備及其吸附性能研究

王金明，史燕，畢文明

(安徽理工大學 化工學院，安徽 淮南 232001)

吸附材料有無機吸附材料、有機吸附材料和無機-有機復合材料，無機吸附材料多為天然的或改性的網(wǎng)狀結構或層狀結構材料，具有較好的穩(wěn)定性，與環(huán)境的相容性較好，但易受資源限制，人工合成該材料價格較高、存在一定環(huán)境問題，它在工農(nóng)業(yè)中有廣泛應用[1-4]。有機吸附材料多為功能高分子材料，吸附的選擇性較強，在處理工業(yè)三廢中針對性較強，處理效果較好，還便于廢物回收利用或廢物處理，不易出現(xiàn)二次污染，實現(xiàn)資源和能量有效回收利用[5-6]。本文主要研究丙烯酸與2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸聚合物材料AMPS/AA制備與其吸附性能。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)，化學純；丙烯酸、過硫酸銨、N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺、硫酸銅均為分析純。

HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋；JJ-1精密增力電動攪拌器；JM-A系列電子計數(shù)天平；FZG-12干燥箱；AA-7003型原子吸收分光光度計；Nicolet 8700型FTIR紅外光譜儀；JSM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

1.2 AMPS/AA合成

用過硫酸銨作為引發(fā)劑，使丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺發(fā)生自由基聚合反應。

稱取一定量的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸并放入三口燒瓶中，加入一定量的水，放入恒溫水浴鍋中加熱，使其完全溶解。用恒流泵在規(guī)定的時間內(nèi)加完定量的過硫酸銨溶液，在恒定溫度進行反應，持續(xù)不斷進行攪拌，分批加入定量的丙烯酸，在引發(fā)劑加入60%～70%后，加入交聯(lián)劑N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺，繼續(xù)加完余下的引發(fā)劑，直至出現(xiàn)膠凝物，然后停止攪拌，恒溫30 min，取樣烘干。

2 結果與討論

2.1 AMPS/AA材料吸水性能

2.1.1 引發(fā)劑用量對AMPS/AA材料吸水量的影響 由圖1可知，不同引發(fā)劑用量制得的聚合物材料，對蒸餾水的吸附性能明顯比0.9%氯化鈉溶液中吸水性能好。在0.9%氯化鈉溶液中，材料的吸水性能隨著引發(fā)劑量的增大而逐漸提升，引發(fā)劑用量2.5%時，吸水量最大，達到28 g/g；在蒸餾水中，材料的吸水性能隨著引發(fā)劑量的增加先提高后下降，引發(fā)劑用量為2.0%時，吸水量最大，達到112 g/g。

圖1 引發(fā)劑用量與材料吸水量關系

2.1.2 交聯(lián)劑用量對AMPS/AA材料吸水量的影響 由圖2可知，不同交聯(lián)劑用量制得的聚合物材料，對蒸餾水的吸附性能明顯比0.9%氯化鈉溶液中吸水性能好。在0.9%氯化鈉溶液中，材料的吸水性能隨著交聯(lián)劑量的增大而逐漸下降，交聯(lián)劑用量 0.2%時，吸水量達到27 g/g；在蒸餾水中，材料的吸水性能隨著交聯(lián)劑量的增加而降低，交聯(lián)劑達到一定量后，材料吸附性能降低比較緩慢，趨于平穩(wěn)，交聯(lián)劑用量0.2%時，吸水量達到115 g/g。

圖2 交聯(lián)劑用量與材料吸水量關系

2.1.3 原料配比對AMPS/AA材料吸水量的影響 由圖3可知，AMPS/AA不同配比制得的聚合物材料，對蒸餾水的吸附性能明顯比0.9%氯化鈉溶液中吸水性能好。在0.9%氯化鈉溶液中，材料的吸水性能隨著AMPS/AA配比的增大先下降后增大，AMPS/AA質(zhì)量比5∶3時，吸水量最小，達到21 g/g；在蒸餾水中，材料的吸水性能隨著AMPS/AA質(zhì)量比的增大先下降后提高，AMPS/AA質(zhì)量比為5∶3時，吸水量最小，達到55 g/g。AMPS/AA質(zhì)量比為2∶3 時，材料在蒸餾水中和0.9%氯化鈉溶液中的吸水量都是最大的。

圖3 原料配比與材料的吸水量關系

2.1.4 溫度對AMPS/AA材料吸水量的影響 由圖4可知，不同溫度下制得的聚合物材料，對蒸餾水的吸附性能明顯比0.9%氯化鈉溶液中吸水性能好。在0.9%氯化鈉溶液中，材料的吸水性能隨著反應溫度的升高而逐漸提高，溫度80 ℃時，吸水量最大，達到33 g/g，在40 ℃時，吸水量達到26 g/g；在蒸餾水中，材料的吸水性能隨著溫度升高而降低，溫度40 ℃時，吸水量達到110 g/g。

圖4 溫度與材料吸水量的關系

2.2 AMPS/AA材料吸附銅離子性能

固液比為1∶100 g/mL，室溫，Cu2+的溶液濃度為165 mg/L。

2.2.1 引發(fā)劑用量對材料吸附銅離子性能影響 見表1。

由表1可知，引發(fā)劑用量1.0%時，材料吸附Cu2+的性能最好，吸附量15.6 mg/g，吸附率94.9%，吸附比3 038 mL/g，這時材料處理一定濃度Cu2+溶液的能力最強。

表1 引發(fā)劑用量對材料吸附銅離子性能的影響

2.2.2 交聯(lián)劑用量對材料吸附銅離子性能影響 見表2。

表2 交聯(lián)劑用量對材料吸附銅離子性能的影響

由表2可知，交聯(lián)劑用量0.6%時，材料吸附Cu2+的性能最好，吸附量達到16.4 mg/g，吸附率99.9%，吸附比134 636 mL/g，這時材料處理一定濃度Cu2+的溶液的能力最強。從總體吸附Cu2+的性能來看，交聯(lián)劑用量較大時，合成的聚合物材料吸附Cu2+性能比較好。

2.2.3 溫度對材料吸附銅離子性能影響 見表3。

表3 溫度對材料吸附銅離子性能的影響

由表3可知，溫度80 ℃時，材料吸附Cu2+的性能最好，吸附量16.4 mg/g，吸附率99.9%，吸附比134 636 mL/g，這時材料處理一定濃度Cu2+溶液的能力最強。從總體吸附Cu2+的性能來看，溫度對合成聚合物材料的吸附性能影響較大，而且規(guī)律不明顯。

2.2.4 原料配比對材料吸附銅離子性能影響 見表4。

表4 原料配比對材料吸附銅離子性能的影響

由表4可知，AMPS/AA配比為1∶1時，材料吸附Cu2+的性能最好，吸附量15.6 mg/g，吸附率94.9%，吸附比3 038 mL/g，這時材料處理一定濃度Cu2+溶液的能力最強。從總體吸附Cu2+的性能來看，配比不同合成的聚合物材料，吸附Cu2+性能相差不是很大。

2.3 聚合物材料結構表征

2.3.1 聚合物材料SEM分析 由圖5可知，合成的聚合物材料表面凹凸不平比較均勻，表面多孔，因此該材料比表面積較大，吸附性能較好。由圖6可知，聚合物材料吸附Cu2+后，表面變得光滑，基本沒有空隙。

圖5 吸附Cu2+前的樣品SEM圖

圖6 吸附Cu2+后的樣品SEM圖

2.3.2 聚合物材料IR分析 見圖7。

圖7 聚合物材料IR圖

3 結論

(1)AMPS/AA聚合物材料表面凹凸不平、多孔，材料內(nèi)部沒有原料單體存在。

(2)該材料吸水性能好，但吸附Cu2+的性能不一定好。

(3)引發(fā)劑、交聯(lián)劑、AMPS/AA配比、溫度對合成的材料在鹽水溶液中的吸水性能影響不大，吸水量一般在27 g/g左右；不同條件對材料吸蒸餾量影響幅度大一些，一般在55～120 g/g。而材料吸附Cu2+的性能變化不大，吸附量基本都在12～16 mg/g范圍內(nèi)。

(4)材料對165 mg/L銅離子溶液中的Cu2+吸附率比較高，高的能達到99.9%，低的也能夠達到75%以上。在吸附率達到99.9%時，1 g材料能夠處理該濃度下的Cu2+的溶液135 L，處理能力比較強。