邵亞輝，彭雙雙，彭曉宏

（華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

當(dāng)前對于工業(yè)廢水中重金屬離子[1-3］的處理通常采用吸附法[4-5］，但現(xiàn)有吸附劑[6-7］往往存在吸附效果差、成本高及可循環(huán)使用不佳的問題，在考慮吸附效果的前提下，經(jīng)濟(jì)成本往往成為制約吸附劑應(yīng)用最重要的因素。聚丙烯酰胺（PAM）[8］在污水處理方面的應(yīng)用由來已久。作為絮凝劑的PAM大多為線型高分子，在引入極性第二單體后，陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）[9］和陰離子聚丙烯酰胺（APAM）[10］的制備方法獲得改進(jìn)，制備過程更加節(jié)能環(huán)保，同時對帶電污染物的絮凝性能也更加優(yōu)異。氧化石墨烯（GO）[11-13］廣泛應(yīng)用于污水處理中染料和重金屬離子的吸附，吸附效果優(yōu)異，利用離子型PAM與GO結(jié)合制備復(fù)合水凝膠吸附劑，將有望達(dá)到更好的污水處理效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益。目前，分別采用GO和含離子聚合物作為吸附染料的吸附劑時有報道[14-16］，但將GO與含離子聚電解質(zhì)結(jié)合制備復(fù)合材料吸附劑的研究尚未見報道。

本工作以GO，丙烯酰胺（AM）和極性第二單體為原料，通過簡單且環(huán)境友好的一步自由基聚合法制備了PAM/GO、CPAM/GO和APAM/GO復(fù)合水凝膠。利用FTIR、13C NMR、拉曼光譜和XRD等方法對合成產(chǎn)物進(jìn)行了表征，研究了復(fù)合水凝膠對Cr（Ⅵ）的吸附行為，分析了CPAM/GO吸附Cr（Ⅵ）的影響因素。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

AM：化學(xué)純，上海潤捷化學(xué)試劑有限公司；丙烯酸（AA）、甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化銨（DMC）、N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）、氫氧化鈉、重鉻酸鉀：分析純，天津福晨化學(xué)試劑廠；GO：純度99.9%，濟(jì)寧利特納米技術(shù)有限責(zé)任公司；過硫酸銨、無水乙醇、鹽酸：分析純，廣州化學(xué)試劑廠；二苯碳酰二肼：分析純，麥克林試劑有限公司。

VERTEX70型傅里葉變換紅外光譜儀、Bruker-500型核磁共振光譜儀、D8 ADVANCE型X射線衍射儀：德國Brucker公司；Lab RAM Aramis型拉曼光譜儀：法國H.J.Y公司；FD-IA-50型冷凍干燥機(jī)：上海利聞科學(xué)儀器有限公司；U-3010型紫外可見分光光度計：日本日立公司。

1.2 復(fù)合水凝膠的制備

采用自由基共聚一步聚合法制備復(fù)合水凝膠：向3等份30.0 mg的GO粉末中分別加入7.5 mL去離子水，超聲處理1 h后得到3份分散穩(wěn)定的GO剝離液。制備PAM/GO時，在1份分散液中加入1.0 g AM；制備APAM/GO時，加入1.0 g AM，2.0 g AA和0.9 g氫氧化鈉；制備CPAM/GO時，加入1.0 g AM和0.32 g DMC。將三種混合液攪拌混合至均勻透明后分別倒入帶蛇形冷凝器、溫度計和磁力攪拌器的三頸燒瓶中。通N2除氧0.5 h，再分別加入7.50 mL 4.2%（w）的過硫酸銨溶液引發(fā)劑和20 mg MBA交聯(lián)劑，在63 ℃下反應(yīng)8 h得到3種深黃色水凝膠。所得水凝膠分別用去離子水浸泡洗滌數(shù)小時，過濾后重復(fù)浸泡洗滌3次，得淡黃色凝膠。將凝膠產(chǎn)物切成約1 cm×1 cm×1 cm的小方塊冷凍過夜后，放入-50 ℃的真空冷凍干燥機(jī)中干燥48 h后得外表蓬松的深黃色干凝膠，置于干燥器中備用。

1.3 吸附表征

1.3.1 Cr（Ⅵ）標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

稱取110 ℃下干燥2 h的重鉻酸鉀0.29 g，用去離子水完全溶解配成1.0 g/L的Cr（Ⅵ）儲備液。

1.3.2 復(fù)合水凝膠對Cr（Ⅵ）的吸附動力學(xué)

288 K下，在40 mg/L的K2Cr2O7溶液中，pH=5的條件下分別加入20 mg復(fù)合水凝膠進(jìn)行靜態(tài)吸附，每隔10 min取上清液測定Cr（Ⅵ）濃度，直至平衡，計算平衡吸附量。

1.3.3 CPAM/GO吸附Cr（Ⅵ）的影響因素

吸附等溫線及吸附熱力學(xué)均在288，303，313 K下進(jìn)行，在50 mL重鉻酸鉀（40 mg/L）溶液中，調(diào)節(jié)pH=5，用20 mg CPAM/GO進(jìn)行靜態(tài)吸附，收集平衡時的吸附數(shù)據(jù)。

考察288 K下單因素對CPAM/GO吸附Cr（Ⅵ）的影響：1）pH：設(shè)定初始Cr（Ⅵ）為80 mg/L，將30 mg CPAM/GO加入50 mL溶液中，在不同pH下進(jìn)行靜態(tài)吸附，達(dá)到吸附平衡后測定濃度，計算吸附容量；2）Cr（Ⅵ）初始質(zhì)量濃度：在50 mL的Cr（Ⅵ）溶液中加入30 mg CPAM/GO，在不同Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度，pH=5下進(jìn)行靜態(tài)吸附；3）CPAM/GO用量：在pH=5的80 mg/L的50 mL原始Cr（Ⅵ）溶液中，分別依次加入不同用量的CPAM/GO，靜態(tài)吸附后，測定鉻的質(zhì)量濃度并計算吸附量。

1.3.4 吸附容量的計算

按GB 7466—1987[17］規(guī)定的方法，利用分光光度計在最大波長540 nm處測量吸光度并計算鉻的總質(zhì)量濃度，按式（1）～（2）計算復(fù)合水凝膠吸附劑對Cr（Ⅵ）的吸附容量。

式中，Qt為t時的吸附容量，mg/g；Qe為平衡吸附時間下的吸附容量，mg/g；ρ0為初始Cr（Ⅵ）的質(zhì)量濃度，mg/L；ρt為t時Cr（Ⅵ）的質(zhì)量濃度，mg/L；ρe為Cr（Ⅵ）平衡狀態(tài)下的質(zhì)量濃度，mg/L；V為Cr（Ⅵ）溶液的體積，L；m為干燥水凝膠的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合水凝膠結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 FTIR表征結(jié)果

圖1為試樣的FTIR譜圖。從圖1可看出，在GO中，1 737 cm-1處的吸收峰歸屬于羧基的伸縮振動，1 060，1 409 cm-1處的伸縮振動峰歸屬于C—O—C和C—OH；在PAM中，3 200 cm-1處為N—H的伸縮振動峰，2 930，2 865 cm-1處為—CH2—的不對稱和對稱伸縮振動吸收峰；PAM/GO在1 107，1 420 cm-1處的吸收峰分別歸屬于GO上環(huán)氧基團(tuán)和C—OH基團(tuán)的伸縮振動，2 935 cm-1處為PAM的—CH2—的伸縮振動峰，表明PAM分子與GO鍵接成功；CPAM/GO的譜圖與PAM/GO基本相似，DMC中亞甲基的彎曲振動峰和伸縮振動峰分別出現(xiàn)在1 452，953 cm-1處，表明CPAM分子與GO成功結(jié)合；APAM/GO在1 230，1 170 cm-1處出現(xiàn)的新吸收峰歸屬于AA中羧基的伸縮振動，說明APAM/GO已成功制備。

圖1 試樣的FTIR譜圖Fig.1 FTIR spectra of samples.

2.1.213C NMR表征結(jié)果

試樣的13C NMR譜圖見圖2。如圖2所示，PAM/GO，APAM/GO，CPAM/GO的化學(xué)位移δ非常接近，并且在δ=180.35，43.25處均出現(xiàn)兩個明顯的特征峰，其中，δ=180.35處的特征峰對應(yīng)于聚合物基體中的—CO—NH2或CO—NH—CO—結(jié)構(gòu)；δ=43.25處的特征峰對應(yīng)基體中的—CH2或—CH結(jié)構(gòu)。δ=133處的特征峰代表GO的sp2雜化碳（C=C）結(jié)構(gòu)。13C NMR譜中沒有出現(xiàn)結(jié)合后的共振峰，由此可推斷復(fù)合水凝膠體系中聚合物與GO之間很可能未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者只有極少量的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，因而共價鍵作用難以顯現(xiàn)。GO通過與聚合物基體間的范德華力、物理包覆作用以及大量的氫鍵結(jié)合而穩(wěn)定分散在基體中，與FTIR的表征結(jié)果相對應(yīng)。

圖2 試樣的13C NMR譜圖Fig.2 13C NMR spectra of the samples.

2.1.3 拉曼光譜表征結(jié)果

拉曼光譜可用于確定復(fù)合物中石墨烯的存在以及石墨烯在基體中的分布情況[18］。通常對于石墨烯碳基材料，D峰（1 335 cm-1）表示結(jié)構(gòu)缺陷的石墨，G峰（1 585 cm-1）表示結(jié)構(gòu)完整的石墨。圖3為試樣的拉曼光譜圖。由圖3可知，4種試樣均出現(xiàn)了G峰和D峰，其中，GO在這兩個峰處的強(qiáng)度最大，而3種復(fù)合水凝膠兩峰處的數(shù)值均有一定程度的降低。D峰與G峰強(qiáng)度的比值（ID/IG）通常用于評估碳基石墨烯納米材料的石墨化程度。ID/IG越小表明材料中石墨的還原程度越高，反之表明氧化程度越高[19］。計算結(jié)果表明，GO的ID/IG=0.87，而APAM/GO，CPAM/GO和PAM/GO的ID/IG分別為0.85，0.83，0.81。較GO均有不同程度減小，但降幅不大。較小的ID/IG對應(yīng)較高的還原程度，即在聚合過程中有少量GO被還原。說明聚合物單體聚合對GO化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)的影響很小，該結(jié)果與FTIR和13C NMR的表征結(jié)果相對應(yīng)。

2.1.4 XRD表征結(jié)果

試樣的XRD譜圖見圖4。層間距（d）根據(jù)2dsinθ=nλ（λ為入射波長，nm；θ為衍射角，°；n為衍射級數(shù)）計算。如圖4所示，GO（001）處的衍射峰對應(yīng)的衍射角出現(xiàn)在10.93°，層間距為0.86 nm，表明GO是單層結(jié)構(gòu)體，層間距大于原始石墨的層間距（0.335 nm）[19］。這可能是因為，氧化反應(yīng)后，引入的含氧官能團(tuán)插入GO層中，使得原始石墨的層間距被拉伸，不同的GO含氧官能團(tuán)的數(shù)量不同，含氧官能團(tuán)越多，對應(yīng)完整結(jié)構(gòu)的區(qū)域越小，即層間距越大，XRD的衍射峰的半高寬值也越大，層間距0.86 nm也表明GO上含氧官能團(tuán)的數(shù)量較多。APAM/GO，PAM/GO和CPAM/GO的衍射峰對應(yīng)的衍射角分別為21.86°，21.36°和21.96°，層間距分別為0.41，0.42，0.40 nm，即GO減少，說明在聚合過程中GO的氧化性降低即含氧官能團(tuán)被部分還原，由此也可說明GO有效地參與了反應(yīng)過程。

圖3 試樣的拉曼光譜圖Fig.3 Raman spectra of samples.

圖4 試樣的XRD譜圖Fig.4 XRD patterns of samples.

2.2 復(fù)合水凝膠對Cr（Ⅵ）的吸附應(yīng)用

2.2.1 Cr（Ⅵ）標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

以濃度為x軸、吸光度為y軸作Cr（Ⅵ）標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到Cr（Ⅵ）標(biāo)準(zhǔn)液的線性關(guān)系為y=-0.102 8+0.524 0x，R2=0.993 6說明線性較好。

2.2.2 復(fù)合水凝膠對Cr（Ⅵ）的吸附動力學(xué)

吸附動力學(xué)可探究吸附過程中主要的速率控制步驟以及復(fù)合水凝膠對Cr（Ⅵ）的吸附機(jī)理[20］。288 K下研究了復(fù)合水凝膠對Cr（Ⅵ）的吸附曲線，結(jié)果見圖5。從圖5可看出，在引入GO以后，復(fù)合水凝膠的吸附容量明顯增強(qiáng)，三種復(fù)合水凝膠對Cr（Ⅵ）的吸附速率均呈先快速增加后趨于平衡的變化趨勢。CPAM/GO對Cr（Ⅵ）的吸附量明顯高于APAM/GO和PAM/GO，說明DMC的引入提高了CPAM/GO對Cr（Ⅵ）的吸附性能。

圖5 復(fù)合水凝膠吸附Cr（Ⅵ）的曲線Fig.5 Curves of adsorption Cr(Ⅵ) by composite hydrogel.

采用偽一階和偽二階動力學(xué)模型考察吸附動力學(xué)。偽一階動力學(xué)模型通常對應(yīng)于物理吸附，假定吸附速率主要由擴(kuò)散步驟決定；偽二階動力學(xué)模型通常對應(yīng)于化學(xué)吸附，假定吸附之間的相互作用為決定吸附速率的關(guān)鍵。式（3）～（4）分別為偽一階和偽二階模型的擬合動力學(xué)方程。

式中，Qe1為偽一階模型中達(dá)到平衡時間的吸附量，mg/g；Qe2為偽二階模型中達(dá)到平衡時間的吸附量，mg/g；k1為偽一階模型的速率常數(shù)，min-1；k2為偽二階模型的速率常數(shù)，mg/（g·min2）。

偽一階和偽二階動力學(xué)模型的參數(shù)見表1。由表1可看出，通過偽一階動力學(xué)模型模擬計算的Qe1與實驗得到的Qe有較大差距，擬合系數(shù)R2在0.875 2～0.977 6之間，表明擬合程度不高，因此偽一階動力學(xué)模型可能不是理想模型；通過偽二階動力學(xué)模型模擬計算的Qe2與實驗得到的Qe較接近，R2均在0.99以上，表明偽二階動力學(xué)模型可作為復(fù)合水凝膠對Cr（Ⅵ）吸附動力學(xué)擬合的理想模型。

2.2.3 CPAM/GO對Cr（Ⅵ）的吸附等溫線模擬

CPAM/GO對Cr（Ⅵ）的吸附等溫線見圖6。從圖6可看出，在相同溫度下，初始吸附速率均快速增加，接近平衡時吸附速率增速緩慢直至最后達(dá)到吸附動態(tài)平衡，此時吸附容量達(dá)到最大值；隨溫度的升高，CPAM/GO對Cr（Ⅵ）的吸附量增大。

表1 288 K下復(fù)合水凝膠吸附Cr（Ⅵ）的動力學(xué)參數(shù)Table 1 Kinetic parameters for adsorption Cr(Ⅵ) by composite hydrogel at 288 K

圖6 CPAM/GO吸附Cr（Ⅵ）的等溫吸附線Fig.6 The adsorption isotherm for adsorption Cr(Ⅵ) by CPAM/GO.

Langmuir等溫模擬線和Freundlich等溫模擬線見式（5）～（6）[21］，對于Langmuir等溫線，可以用無量綱平衡參數(shù)（RL）描述，見式（7）。

式中，Qmax為最大吸附容量，mg/g；KL為Langmuir常數(shù)，L/mg；KF為Freundlich常數(shù)，（mg·g-1）/（L·mg-1）1/n；n為與吸附分子和吸附劑表面作用強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù)。RL表示等溫線的類型，RL>1為不利，RL=1為線性，0

以Cr（Ⅵ）的ρ0=40 mg/L進(jìn)行Langmuir和Freundlich等溫模擬，結(jié)果見表2。從表2可看出，CPAM/GO吸附Cr（Ⅵ）的RL均在0～1的范圍內(nèi)，說明CPAM/GO對Cr（Ⅵ）的吸附為有利過程，吸熱性導(dǎo)致Qmax和RL隨溫度的升高而增加，即高溫有利于吸附；Freundlich擬合常數(shù)n均小于10，說明吸附具有自發(fā)性，另外Freundlich擬合的R2均略小于Langmuir擬合的R2。由此可知CPAM/GO對Cr（Ⅵ）的吸附等溫模擬中，Langmuir等溫擬合更好，也說明Cr（Ⅵ）在復(fù)合水凝膠上的吸附為單層均質(zhì)吸附。

表2 CPAM/GO吸附Cr（Ⅵ）的等溫模擬參數(shù)Table 2 The isothermal simulation parameters for adsorption Cr(Ⅵ) by CPAM/GO

2.2.4 CPAM/GO對Cr（Ⅵ）吸附熱力學(xué)

CPAM/GO對Cr（Ⅵ）的吸附吉布斯自由能用范霍夫方程式（8）～（9）計算。

式中，T為溶液的溫度，K；R為氣體常數(shù)，8.314×10-3kJ/（mol·K）；Kd為分配系數(shù)；ΔG 為標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能，kJ/mol；ΔH 為標(biāo)準(zhǔn)焓變，kJ/mol；ΔS 為標(biāo)準(zhǔn)熵變，J/（mol·K）。

根據(jù)lnKd～1/K的線性擬合計算得到CPAM/GO對Cr（Ⅵ）吸附的熱力學(xué)參數(shù)見表3。由表3可知，ΔG <0表明吸附Cr（Ⅵ）到CPAM/GO是自發(fā)且可行的；ΔH >0表明CPAM/GO對Cr（Ⅵ）的吸附是吸熱過程；ΔS >0表明吸附過程為熵增，即自由度增加的熱力學(xué)自發(fā)過程。

表3 吸附Cr（Ⅵ）的熱力學(xué)參數(shù)Table 3 Thermodynamic parameters for adsorption Cr(Ⅵ)

2.2.5 CPAM/GO吸附Cr（Ⅵ）的影響因素

2.2.5.1 pH對吸附的影響

溶液的酸堿度不僅影響Cr（Ⅵ）的穩(wěn)定性，還影響吸附劑的帶電情況，從而影響表面結(jié)合位點。pH對CPAM/GO吸附Cr（Ⅵ）的影響見圖7。

圖7 pH對CPAM/GO吸附Cr（Ⅵ）的影響Fig.7 The effect of pH on the adsorption of Cr(Ⅵ) by CPAM/GO.Reaction conditions：Cr（Ⅵ） initial concentration 80 mg/L，Cr(Ⅵ) solution 50 mL，CPAM/GO 30 mg.

從圖7可看出，隨pH增大，CPAM/GO吸附Cr（Ⅵ）能力先增強(qiáng)后降低，Qe在pH=5時最大。Cr（Ⅵ）在水溶液中有幾種穩(wěn)定的存在形式，每種存在形式的相對濃度均與Cr（Ⅵ）的初始質(zhì)量濃度和溶液pH有關(guān)。pH<5時Cr（Ⅵ）的優(yōu)勢存在形式為，此時聚合物中的NH質(zhì)子化后轉(zhuǎn)化為NH2+，和HCrO4-能與NH2+發(fā)生強(qiáng)烈的靜電相互吸引，從而達(dá)到吸附Cr（Ⅵ）的效果。當(dāng)pH>7時，Cr（Ⅵ）的存在形式主要為CrO42-，此時隨溶液pH的升高，聚合物中的NH2+含量降低，導(dǎo)致吸附量降低，因此吸附的最佳pH=5。

2.2.5.2 Cr（Ⅵ）初始質(zhì)量濃度對吸附的影響

Cr（Ⅵ）初始質(zhì)量濃度對CPAM/GO吸附Cr（Ⅵ）的影響見圖8。從圖8可看出，隨初始質(zhì)量濃度的增加，吸附量增加，但金屬離子的吸收率從85.94%（57.29 mg/g）降至72.24%（120.40 mg/g）。表明吸附量依賴初始質(zhì)量濃度，但對于固定的吸附劑質(zhì)量，總可用吸附位點是有限的，因此隨著吸附劑初始質(zhì)量濃度的增加，去除率降低。

圖8 Cr（Ⅵ）初始質(zhì)量濃度對CPAM/GO吸附Cr（Ⅵ）的影響Fig.8 The effect of Cr(Ⅵ) initial mass concentration on adsorption of Cr(Ⅵ) by CPAM/GO.

2.2.5.3 CPAM/GO用量對吸附的影響

CPAM/GO用量對吸附Cr（Ⅵ）的影響見圖9。從圖9可看出，當(dāng)CPAM/GO的用量從12 mg增加到45 mg時，Qe從200.33 mg/g降至80.01 mg/g，說明能夠被吸附的鉻的容量有限，大量有效吸附位點未能吸附Cr（Ⅵ），即單位質(zhì)量CPAM/GO吸附的鉻的量會降低。但吸附效率隨吸附劑用量的增加而增加，這是由于增加的吸附劑為Cr（Ⅵ）提供了更多的吸附活性位點和更大的比表面積。本工作選取CPAM/GO的最佳用量為30 mg。

2.2.6 吸附劑的再生性能

在溫度為288 K下研究了CPAM/GO對吸附Cr（Ⅵ）的循環(huán)使用性能。用50 mL 0.10 mol/L的NaOH作解吸劑進(jìn)行吸附-解吸實驗，經(jīng)過4個循環(huán)后，結(jié)果見圖10。由圖10可知，經(jīng)過4次吸附解吸循環(huán)后，Qe從113.43 mg/g降至89.87 mg/g，相對于初始Qe仍保持了80%的吸附能力，表明CPAM/GO對Cr（Ⅵ）具有較好的循環(huán)吸附性能。

圖9 CPAM/GO用量對吸附Cr（Ⅵ）的影響Fig.9 The effect of CPAM/GO amount on the adsorption of Cr(Ⅵ).Reaction conditions：Cr(Ⅵ) initial concentration 80 mg/L，Cr(Ⅵ) solution 50 mL，pH=5.

圖10 CPAM/GO對Cr（Ⅵ）的循環(huán)吸附性能Fig.10 Recyclability of CPAM/GO for adsorption Cr(Ⅵ).Reaction conditions：CPAM/GO 30 mg，Cr(Ⅵ) initial concentration 80 mg/L，pH=5.

3 結(jié)論

1）采用一步自由基聚合法制備了PAM/GO、CPAM/GO和APAM/GO復(fù)合水凝膠。GO通過與聚合物基體間的范德華力、物理包覆作用和氫鍵結(jié)合穩(wěn)定分散在基體中，聚合物單體聚合對GO化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)的影響很小。

2）偽二階動力學(xué)模型能更好地模擬復(fù)合水凝膠對Cr（Ⅵ）的吸附過程。Langmuir等溫擬合是合適的等溫擬合方式，Cr（Ⅵ）在復(fù)合水凝膠上的吸附是單層均質(zhì)吸附。

3）288 K下，CPAM/GO對Cr（Ⅵ）的吸附量高于APAM/GO和PAM/GO。CPAM/GO對Cr（Ⅵ）的最佳吸附條件為：Cr（Ⅵ）初始質(zhì)量濃度80 mg/L，CPAM/GO用量30 mg，溶液pH=5。在經(jīng)過4個吸附-解吸循環(huán)后，CPAM/GO吸附Cr（Ⅵ）的Qe仍能保持初始Qe的80%。