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        聚丙烯酸鈉/竹炭復(fù)合材料的合成及其吸附性能研究

        2018-11-02 05:18:16楊麗娟
        中國食品工業(yè) 2018年5期
        關(guān)鍵詞:竹炭吸水性蒸餾水

        楊麗娟

        甘肅省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(yán)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(guān)注。竹炭有較大的比表面積和特殊的內(nèi)部超細(xì)微孔結(jié)構(gòu),具有良好的吸附特性等優(yōu)點(diǎn),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(qiáng),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(jìn)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(fù)合吸附材料??疾炝酥裉康牟煌恳约案男灾裉繉λ奈搅?,并利用分光光度法測試樣品對剛果紅溶液、亞甲基藍(lán)溶液的吸附性能。通過對上述實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和結(jié)果分析,最終為制備得到新型多功能復(fù)合吸附材料奠定基礎(chǔ)。

        1. 聚丙烯酸鈉/竹炭(改性竹炭)復(fù)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。蒸餾后的樣品放入冰箱待用。

        1.2 竹炭的改性預(yù)處理

        對竹炭進(jìn)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(zhǔn)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?cái)嚢杵魃?,在室溫下機(jī)械攪拌2h(轉(zhuǎn)速控制在500-600轉(zhuǎn)/分)。攪拌結(jié)束后,真空水泵抽濾,用蒸餾水洗10-15遍(反復(fù)洗滌抽濾),105oC烘干后做標(biāo)記,并進(jìn)行粗稱量,放入干燥器內(nèi)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(fù)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(hù),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(diào)節(jié)水浴溫度至60oC,恒溫反應(yīng)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(yīng)結(jié)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(jī)粉碎,并用篩網(wǎng)選出60~100目(0.15~0.30mm)的產(chǎn)品作為實(shí)驗(yàn)對象,稱重待用。

        2. 亞甲基藍(lán)染料溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線

        2.1 配制50mg/L的亞甲基藍(lán)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(lán)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(lán)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?。哉麴s水為空白,測得亞甲基藍(lán)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(lán)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(biāo),吸光度為縱坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)曲線(如圖2-1)

        2.3 并得回歸方程為

        圖2-1 亞甲基藍(lán)溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線

        3. 聚丙烯酸鈉/竹炭(改性竹炭)復(fù)合材料吸水性能測試

        準(zhǔn)備500mL燒杯、濾網(wǎng),分別為燒杯、濾網(wǎng),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(yīng)的燒杯,分別加入400mL蒸餾水,靜置4個小時,稱量濾網(wǎng),記下數(shù)據(jù)m2,將產(chǎn)物用濾網(wǎng)過濾,并將過濾后的產(chǎn)物連同濾網(wǎng)一起置于對應(yīng)燒杯之上,靜置10min,把產(chǎn)物連同濾網(wǎng)一起稱量,記下數(shù)據(jù)m3,則復(fù)合材料的吸水倍率Qw(g/g)按下式計(jì)算:

        3.1 聚丙烯酸鈉/竹炭復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)染料的吸附測試

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

        3.1.2 準(zhǔn)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(yīng)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(zhuǎn)/分,振蕩3.0 h。待吸附結(jié)束后,用濾網(wǎng)過濾,取上層清液測吸光度。然后根據(jù)染料標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算吸附后濃度C2(mg/L),則復(fù)合吸附材料的吸附染料倍率Qd(mg/g)按下式計(jì)算:

        3.1.3 相同條件,稱取經(jīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        4.1 竹炭含量對復(fù)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(dāng)BC=8.0%,吸附材料吸附性能達(dá)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(dāng),應(yīng)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(jié)構(gòu),竹炭含量的增加有助于形成這樣的結(jié)構(gòu),而當(dāng)竹炭含量過大時,三維結(jié)夠被過多的竹炭堵塞,不利于提高復(fù)合材料的吸水性能。

        4.1.1竹炭含量對復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料對亞甲基藍(lán)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(lán)的能力與未加竹炭的相比相差不多,從產(chǎn)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(chǎn)品的生產(chǎn)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(zhì)所決定的,從上面兩種染料的結(jié)構(gòu)式可以看出,亞甲基藍(lán)為陽離子型染料,剛果紅為陰離子型染料,而復(fù)合吸附材料的聚合物網(wǎng)絡(luò)中存在大量COO-,因此與亞甲基藍(lán)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(dǎo)致上述吸附結(jié)果。

        4.2 改性竹炭含量對復(fù)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(fù)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。

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