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。
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。
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。
2.1.1 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
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。
2.3.1 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
(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。