聚苯胺復(fù)合材料在重金屬廢水處理中的應(yīng)用

于婉婷，侯 亮

（1.長沙環(huán)境保護職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410000；2.力合科技（湖南）股份有限公司，湖南 長沙 410000）

重金屬是指密度在4.0以上（約60種）或5.0以上（約45）種的元素。在環(huán)境污染領(lǐng)域，主要指的是銅、鉛、鈷、鎳、錫、鋅等[1]。研究表明，礦山排水是重金屬污染的主要來源，此外還有大部分工業(yè)廢水中也存有濃度較高的重金屬污染物。重金屬離子對環(huán)境以及人體的危害是巨大的。首先就重金屬廢水的污染性、危害性做簡要分析。

1 重金屬廢水危害性分析

廣泛存在于各類水體中的重金屬離子有很強的污染性、致毒性，會對自然環(huán)境以及人體帶來很大危害。如研究表明，銅的抗生育作用明顯，長期受到銅的污染會導(dǎo)致男性生殖能力受到影響。同時當(dāng)人體內(nèi)的銅過剩時，會擾亂人體新陳代謝，使人體出現(xiàn)一系列不良反映甚至出現(xiàn)各類疾病。鉛會嚴重影響生殖器官的功能，若孕婦長期生活在含有鉛污染的環(huán)境中，胚胎的發(fā)育會受到嚴重影響，且出現(xiàn)畸胎、死胎、流產(chǎn)的幾率會增加。當(dāng)人體內(nèi)血鉛過高時，會出現(xiàn)一系列不適感，如乏力、頭暈、入睡困難等，嚴重時還會引起腹痛、便秘以及記憶力衰減等問題。六價鉻滲入到身體組織中易引起白血病、淋巴瘤以及前列腺癌等重大疾病，使人體生命安全遭受嚴重威脅[2]?；诖?，加大對重金屬污染的研究，做好對重金屬污染的治理至關(guān)重要。

2 聚苯胺復(fù)合材料研究

2.1 導(dǎo)電聚合物

導(dǎo)電聚合物也被稱為導(dǎo)電高分子，該種物質(zhì)由人工合成，有一定的導(dǎo)電性以及較高的機械性能，且便于再加工，具有較廣的適用范圍。當(dāng)前常用到的聚對苯撐、聚苯胺等就是典型的導(dǎo)電聚合物。這類物質(zhì)本身具有導(dǎo)電性，在使用時不需要依靠其他的物質(zhì)與手段讓其起到導(dǎo)電的效果。研究與實踐證明，導(dǎo)電聚合物物理與化學(xué)性能優(yōu)越。具體如其具備特有的電導(dǎo)率變化性能。通過電化學(xué)或化學(xué)摻雜，導(dǎo)電聚合物室溫電導(dǎo)率可以在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生變化。其次該類物質(zhì)還具有性能可控性與結(jié)構(gòu)可控性，這為其在重金屬污染治理中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該類物質(zhì)有電、光性能以及較好的柔韌性，在一定程度上集合了金屬、聚合物以及半導(dǎo)體的優(yōu)點。更重要的是，導(dǎo)電聚合物具有完全可逆的摻雜/脫摻雜特性，且該過程伴隨著可逆的光學(xué)、電學(xué)等性能的變化。總的來說，導(dǎo)電聚合物性能優(yōu)越，實用性高，適用范圍廣，因而近幾年在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。如傳感器領(lǐng)域、電磁屏蔽領(lǐng)域以及分子領(lǐng)域等[3]。

2.2 聚苯胺

在各類導(dǎo)電聚合物中，聚苯胺的性能相對優(yōu)越，整體的應(yīng)用價值較高。如其成本低廉、在環(huán)境穩(wěn)定性良好、合成工藝簡單且電導(dǎo)過程可控制等。近幾年來，有關(guān)聚苯胺的研究不斷增加，許多學(xué)者提出將聚苯胺應(yīng)用于重金屬污染治理領(lǐng)域。目前這一提議以及研究已經(jīng)得到了實踐。

聚苯胺屬于亞苯基聚合物，還原以及氧化反映分別發(fā)生在亞苯基環(huán)的兩側(cè)。聚苯胺鏈上胺以及亞胺的數(shù)量是影響聚苯胺形式的關(guān)鍵因素。聚苯胺的氧化聚合反應(yīng)是發(fā)生在質(zhì)子酸條件下。在該條件下，質(zhì)子化使得聚苯胺逐漸具有導(dǎo)電性，在鏈內(nèi)，π電子數(shù)量不會發(fā)生變化[4]。在各種氧化狀態(tài)下，聚苯胺普遍存在。

聚苯胺的導(dǎo)電機理為：聚苯胺的質(zhì)子在質(zhì)子酸摻雜下被引入高分子鏈，質(zhì)子進入高分子鏈但主鏈上的電子數(shù)目未發(fā)生改變，只有電荷分布狀態(tài)因這一變化而出現(xiàn)變動。質(zhì)子攜帶有正電荷，當(dāng)分子鏈上有質(zhì)子進入時，就意味著高分子鏈失去電子并發(fā)生了氧化摻雜。為了使物質(zhì)的電中性得以保持，聚苯胺的主鏈上就會有陰離子進入。對陰離子進入聚苯胺主鏈的這一過程就相當(dāng)于是一個酸堿中和的過程，在這一過程中，會產(chǎn)生有與質(zhì)子酸和氨水相類似的反應(yīng)。亞胺氮原子是聚苯胺物質(zhì)的主要摻雜點，在摻雜過程中，主鏈的氮原子上會有質(zhì)子（來源于摻雜劑）附著在上面，此時由質(zhì)子所攜帶的電荷會在共軛鏈上進行延展，且隨著質(zhì)子的進入，本征態(tài)聚苯胺會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閬啺符}，轉(zhuǎn)變成的這一物質(zhì)有較大的電導(dǎo)率。

受到摻雜的影響，聚苯胺在分子鏈上會同時存在極化子和雙極化子，極化子和雙極化子共同承擔(dān)載流子，極化子和雙極化子以及載流子等在分子鏈上相互轉(zhuǎn)化完成電荷傳播。

2.3 聚苯胺合成與聚合

聚苯胺合成常用的方法有電化學(xué)聚合法和化學(xué)氧化聚合法。下面就聚苯胺的不同合成過程以及聚合機理做具體分析。

電化學(xué)法聚合。在應(yīng)用電化學(xué)聚合法對聚苯胺進行合成處理時，可將整個合成過程大體分為三個階段：誘導(dǎo)與引發(fā)階段、鏈增長階段以及鏈終止階段。在第一個合成階段時，有二聚物產(chǎn)生，當(dāng)進入第二個合成階段后，反應(yīng)速度加快、沉淀產(chǎn)生，體系開始大量發(fā)熱，到第三個階段時，反應(yīng)停止。聚苯胺的聚合機理為：苯胺在相關(guān)作用的影響下發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)后成為陽離子自由基，隨著反應(yīng)的繼續(xù)進行，兩個陽離子自由基以頭尾相連的方式形成苯胺二聚體。當(dāng)苯胺二聚體形成后，氧化反應(yīng)會迅速發(fā)生，通過氧化又得到醌結(jié)構(gòu)的苯胺二聚體，醌結(jié)構(gòu)的苯胺二聚體與苯胺單體發(fā)生聚合反應(yīng)后就會生成三聚體[5]。

化學(xué)氧化聚合。在應(yīng)用化學(xué)氧化聚合法來合成聚苯胺時，將待合成物質(zhì)置于合適的溫度條件下，之后將適量氧化劑加入溶液中（含有苯胺單體），利用氧化劑的作用促進苯胺氧化聚合。研究與實踐證明，使用這一方法得到的合成物有較高的穩(wěn)定性以及導(dǎo)電率，有較好的可控性，具有一定的應(yīng)用價值。在使用這一方法進行聚苯胺合成處理時，氧化劑、環(huán)境溫度、操作方法以及介質(zhì)酸等是影響合成效果的重要因素。為此在具體能的合成操作中要能嚴格按照相關(guān)規(guī)范與要求，結(jié)合實際情況合理選擇氧化劑，科學(xué)控制氧化劑的濃度以及滴加速度，并對物質(zhì)的反應(yīng)時間、反映溫度等做出有效控制與管理，合理控制介質(zhì)酸濃度并科學(xué)選擇介質(zhì)酸種類，以此消除各類因素對合成過程以及結(jié)果的影響，確保合成物性能質(zhì)量穩(wěn)定。

3 聚苯胺復(fù)合材料在重金屬廢水處理中的應(yīng)用

在當(dāng)前的自然環(huán)境中，重金屬離子普遍存在，這類物質(zhì)給自然以及人體帶來的危害不容忽視。以往的技術(shù)體系下，進行重金屬污染監(jiān)測與處理時多采用電位測定法進行，后來在這一技術(shù)方法的基礎(chǔ)上又衍生出了多種方法，如離子選擇電極法等，同時也有部門使用聚苯胺復(fù)合材料來處理重金屬污染問題。作為一種有機導(dǎo)電高分子聚合，聚苯胺復(fù)合材料可在電池處理、隱形涂料處理、防腐處理等多項活動中發(fā)揮出重要作用。

3.1 聚苯胺/碳復(fù)合材料應(yīng)用于廢水處理

當(dāng)前常用到的碳材料有碳納米管、多孔碳以及石墨、活性炭等。碳材料的結(jié)構(gòu)比較獨特，比表面積也相對較高，穩(wěn)定性良好，因而在當(dāng)前得到了相對廣泛的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，利用碳材料的比表面積為聚苯胺的聚合提供基體和骨架而制成的復(fù)合材料，其機械性能以及導(dǎo)電性、電容性等要更為良好，并且還具備有多種聚苯胺所不具有的特征。

3.2 聚苯胺/無機物復(fù)合材料應(yīng)用于廢水處理

無機物具有成本低、種類多等特點，且許多無機物都具有很好的吸附性，是治理含重金屬離子廢水時的理想材料，如硅膠等。合理使用這類材料可有效降低廢水中重金屬污染濃度，將廢水對自然環(huán)境以及人體的污染降到最低。在應(yīng)用這類材料進行重金屬廢水治理時，應(yīng)當(dāng)注意到沸石的可用性。作為一種硅酸鋁鹽礦石，沸石結(jié)構(gòu)中有很多不同大小的通道、框架等，可以讓廢水中的重金屬離子儲存，從而讓水體得到凈化。研究發(fā)現(xiàn)，在將沸石與聚苯胺復(fù)合后，復(fù)合料的吸附性大大提高，在進行廢水治理時也就更能發(fā)揮出效果[6]。

3.3 聚苯胺/金屬氧化物復(fù)合料應(yīng)用于廢水處理

研究證實，金屬氧化物的化學(xué)特性與物理特性十分良好，也是應(yīng)用于重金屬廢水處理的理想材料。在廢水處理過程中，此類材料可提供磁性，促進廢水中重金屬離子與水體分離并完成對重金屬離子的吸附，使廢水的去污染率大大提升。在應(yīng)用這一復(fù)合材料對含重金屬離子廢水進行處理時，先在蒸餾水中將Fe3O4進行分散，然后于集中加入適量的聚乙烯吡咯烷酮，對該混合物質(zhì)進行超聲分散處理后，于適合的溫度條件下依次添加進濃硫酸與苯胺，對混合物充分攪拌，攪拌時長達到12h后于其中加入適量硫酸銨溶液，同樣進行超聲分散處理。在經(jīng)過以上處理后得到核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4/PANI。該物質(zhì)有很強的吸附性以及較大的比表面積，能對廢水中的重金屬離子得到有效吸附，讓廢水的污染性與危害性大大降低。

4 結(jié)語

綜上所述，聚苯胺復(fù)合材料比表面積大、吸附性強，能在重金屬廢水處理中發(fā)揮出重要作用。為此在當(dāng)前背景下應(yīng)進一步加大對這一處理技術(shù)的研究、完善與推廣應(yīng)用，讓重金屬污染問題得到有效解決。