聚丙烯酸钠/竹炭复合材料的合成及其吸附性能研究

杨丽娟

甘肃省产品质量监督检验东部分中心 甘肃 天水 741001

我国是纺织印染业大国，纺织印染业的废水量居全国工业废水的第五位，印染废水的大量排放造成了严重的水污染，由于我国水资源短缺，印染废水的处理备受人们的关注。竹炭有较大的比表面积和特殊的内部超细微孔结构，具有良好的吸附特性等优点，加之在我国，竹林是重要的森林资源，竹子生长周期短，成材快，再生能力强，可以制成竹炭用于印染废水的处理。目前对竹炭的研究才刚刚起步，竹炭对染料废水的吸附性能还有待提高，对竹炭进行处理以提高吸附性能的方面的研究已成为一种趋势。

本文利用水溶液聚合法，以丙烯酸、竹炭粉为原料，过硫酸铵为引发剂，N，N -亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，40oC的条件下，合成了新型复合吸附材料。考察了竹炭的不同含量以及改性竹炭对水的吸附量，并利用分光光度法测试样品对刚果红溶液、亚甲基蓝溶液的吸附性能。通过对上述实验的现象和结果分析，最终为制备得到新型多功能复合吸附材料奠定基础。

1. 聚丙烯酸钠/竹炭（改性竹炭）复合材料的合成

1.1 丙烯酸精制

架好蒸馏装置，将丙烯酸倒入蒸馏装置，打开真空泵，水浴75oC～80oC，调节转速。蒸馏后的样品放入冰箱待用。

1.2 竹炭的改性预处理

对竹炭进行了7种改性处理（以K2SO4改性竹炭为例）

1.2.1 K2SO4溶液的配制

在分析天平上准确称取固体K2SO443.50g，在烧杯中溶解，定容于250mL容量瓶中，即配制成1mol/LK2SO4的溶液。

1.2.2 K2SO4竹炭的改性处理

在分析天平上称取1号竹炭5.0g，放入250mL的圆底烧瓶中，取1mol/L K2SO4溶液100mL加入其中，将圆底烧瓶固定于恒温搅拌器上，在室温下机械搅拌2h（转速控制在500-600转/分)。搅拌结束后，真空水泵抽滤，用蒸馏水洗10-15遍（反复洗涤抽滤），105oC烘干后做标记，并进行粗称量，放入干燥器内备用。

HCl、FeCl3、AlCl3、KOH、CaCl2、H3PO4对竹炭的改性处理方法同上。

1.3 聚丙烯酸钠/竹炭（改性竹炭）复合材料的合成

1.3.1 称取丙烯酸7.2g、N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.0162g加入50mL烧杯中，在磁力搅拌器上，加入搅拌籽搅拌使之溶解，再加入8mol/LNaOH溶液7.5mL在冰水浴下使之中和；称取一定量的竹炭，与中和液一同加入四口烧瓶中，40oC恒温水浴加热30min，同时通入N2保护，并以300rpm匀速搅拌；称取0.08g过硫酸铵加入恒压漏斗中，用5mL蒸馏水使之溶解，快速滴加至四口烧瓶后，40oC恒温加热10min，调节水浴温度至60oC，恒温反应3h；依照前面的步骤，改变竹炭含量和改性竹炭量。

1.3.2 反应结束后，将获得的样品撕成小块，在80oC干燥箱中烘干，称取其粗重，放入干燥器中待检测。

1.3.3 样品烘干后，用粉碎机粉碎，并用筛网选出60～100目(0.15～0.30mm)的产品作为实验对象，称重待用。

2. 亚甲基蓝染料溶液标准曲线

2.1 配制50mg/L的亚甲基蓝溶液，以此作为母液。采用稀释法配制1mg/L，2mg/L，2.5mg/L，3mg/L，4mg/L的亚甲基蓝染料溶液。

2.2 测最大吸收波长：取已配好的任意一浓度（1mg/L，2mg/L，2.5mg/L，3mg/L，4mg/L）的亚甲基蓝染料溶液，且测其吸光度值在0.2～0.8之间（保证吸光度值在0.2～0.8之间，使测量误差最小），以蒸馏水为空白，测得亚甲基蓝染料溶液的最大吸收波长为667nm。在最大吸收波长667nm处 ，以蒸馏水为空白，分别测1mg/L，2mg/L，2.5mg/L，3mg/L，4mg/L的亚甲基蓝染料溶液的吸光度。将测得的各个数据，用Excel软件绘制以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标的标准曲线（如图2-1）

2.3 并得回归方程为

图2-1 亚甲基蓝溶液标准曲线

3. 聚丙烯酸钠/竹炭（改性竹炭）复合材料吸水性能测试

准备500mL烧杯、滤网，分别为烧杯、滤网，编号，称取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）加入对应的烧杯，分别加入400mL蒸馏水，静置4个小时，称量滤网，记下数据m2，将产物用滤网过滤，并将过滤后的产物连同滤网一起置于对应烧杯之上，静置10min，把产物连同滤网一起称量，记下数据m3，则复合材料的吸水倍率Qw(g/g)按下式计算：

3.1 聚丙烯酸钠/竹炭复合材料对亚甲基蓝染料的吸附测试

3.1.1 称取亚甲基蓝若干，放入烧杯溶解，配制50mg/L的亚甲基蓝溶液，记为C1。

3.1.2 准备100mL规格的烧杯若干，依次编号，用50ml移液管移入50mL一定浓度C1(mg/L)的染料溶液，称取BC=（0、3.0、5.0、8.0、10.0、12.0、15.0、17.0、20.0 wt%）各0.0500g，分别加入对应编号的烧杯中，采用封口膜将所有的烧杯密封，然后放置于40oC的恒温振荡器中，以60转/分，振荡3.0 h。待吸附结束后，用滤网过滤，取上层清液测吸光度。然后根据染料标准曲线计算吸附后浓度C2(mg/L)，则复合吸附材料的吸附染料倍率Qd(mg/g)按下式计算：

3.1.3 相同条件，称取经过改性后的竹炭系列K2SO4、HCl、FeCl3、AlCl3、KOH、CaCl2、H3PO4各0.0500g，按相同步骤测定吸附染料倍率。

4. 实验结果与讨论

4.1 竹炭含量对复合材料的吸附性能影响

表1-1不同的竹炭含量的吸附性能

由表1-1可看出，当BC=8.0%，吸附材料吸附性能达到了最大值，与未加入竹炭相比增加了2.5倍，效果明显增加。但竹炭含量过高时，即BC=20.0%时，其吸水性能明显降低，比没加入的效果要差一些。因此，竹炭含量的加入要适当，应在5.0～15.0%。原因在于加入竹炭后与聚丙烯酸钠形成了更加规整的三维结构，竹炭含量的增加有助于形成这样的结构，而当竹炭含量过大时，三维结够被过多的竹炭堵塞，不利于提高复合材料的吸水性能。

4.1.1竹炭含量对复合材料的吸水性能影响

图2-2 不同含量的竹炭的吸水性能

从图2-2中可以看出，随着竹炭用量从0wt%到20wt%，复合材料的吸蒸馏水倍率由170.58g/g先上升到436.44g/g，后逐步降低到138.37g/g，整个曲线呈现抛物线形式。说明竹炭的引入对吸附材料吸水性能有改善作用，能够提高其对蒸馏水的吸附性能。

4.1.2竹炭含量对复合材料的吸染料影响

图2-3 不同含量的竹炭的吸水性能

从图2-3中可以看出，该系列复合材料对亚甲基蓝的吸附能力接近48mg/g，随着竹炭的增加，其吸附性能变化不大。吸附亚甲基蓝的能力与未加竹炭的相比相差不多，从产品的成本角度考虑，竹炭的引入有助于在保持一定染料吸附能力的同时，可降低产品的生产成本。而这一系列对于刚果红不吸附，这是由于染料分子的电荷性质所决定的，从上面两种染料的结构式可以看出，亚甲基蓝为阳离子型染料，刚果红为阴离子型染料，而复合吸附材料的聚合物网络中存在大量COO-，因此与亚甲基蓝染料分子发生静电吸附，与刚果红染料分子发生静电排斥，导致上述吸附结果。

4.2 改性竹炭含量对复合材料的吸附影响

表1-2改性竹炭含量的吸附性能

图2-4不同含量的竹炭的吸水性能

从2-4中可以看出，该改性竹炭系列复合材料对蒸馏水的吸附能力较好的是改性FeCl3竹炭。吸水倍率最差的改性HCl竹炭与未改性竹炭相比，吸水性能均有所增加。