膨潤土/聚丙烯酸鈉除溶劑中少量水的研究

王雪瑩， 孫 偉, 王國勝

(沈陽化工大學 化學工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

膨潤土/聚丙烯酸鈉除溶劑中少量水的研究

王雪瑩， 孫 偉, 王國勝

(沈陽化工大學 化學工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

制備了不同配比的膨潤土/聚丙烯酸鈉復合材料，并對復合材料的除水性能進行研究.結果表明:膨潤土質量分數為30 %的膨潤土/聚丙烯酸鈉復合材料7 g， 能除去含水5 %的異丙醇(30 mL異丙醇中含有1.5 mL的水)溶劑中1.5 %的水，而且吸水后成凝膠狀，易于回收.因此，該復合材料可用于除異丙醇溶劑中少量的水，拓寬了此復合材料的用途，為工業生產帶來便利.

膨潤土/聚丙烯酸鈉； 異丙醇； 少量水

工業上，由于循環套用有機溶劑，造成溶劑中含有少量水，一般可以通過簡單精餾、膜滲透汽化等方法除去，但對異丙醇-水共沸體系，以上方法除水效果不明顯且費用昂貴[1-3].使用脫水材料是一種簡便的方法，如分子篩及生物質類材料，但再生比較困難[4-5].膨潤土是以蒙脫石為主要成分的礦物，我國生產的膨潤土以鈣基膨潤土為主，其具有吸水性、膨脹性、懸浮性、黏結性、可塑性、耐火性、離子交換性等優良特點，且價格低廉，可以吸附其自身體積的8～15倍的水.但用于常溫下有機溶劑中少量水的脫除未見報道[6-8].聚丙烯酸鈉是一類吸水率高、吸水速度快的超吸水性樹脂，可以吸收自身質量幾百倍甚至上千倍的水，而將其用于脫除溶劑中少量水的研究也未見報道[9-10].因此，研究簡便的、適宜工業化的、可反復循環利用的、除溶劑中少量水的復合材料是目前研究的熱點.

本文主要研究將兩者復合,合成具有高吸水率的復合材料,用于除溶劑中少量的水.意義在于提高超吸水性材料凝膠強度,降低吸水材料成本,增強穩定性和分散性,拓寬膨潤土應用范圍.因此，該復合材料具有很好的開發前景[11].

1 實 驗

1.1 材料與設備

原料：工業異丙醇；鈣基膨潤土，蒙脫石質量分數為60 %～80 %，粒徑為200目，黑山萬程膨潤土有限公司提供；丙烯酸、氫氧化鈉、氯化鈉、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺、過硫酸鉀，均為分析純.

儀器：電熱恒溫鼓風干燥箱；數顯恒溫水浴鍋；電子分析天平；小型超聲波清洗機.

1.2 實驗步驟

1.2.1 膨潤土溶液的配制

在燒杯中加入一定量的膨潤土，配制質量分數為15 %、30 %、45 %、60 %的膨潤土水溶液，攪拌后放置12 h，使之成為均勻的糊狀分散體系.

1.2.2 丙烯酸中和溶液的配制

稱取25 g丙烯酸，用20 mL水進行稀釋.將稀釋后的丙烯酸溶液置于冰水浴下，逐滴加入質量分數為25 %的氫氧化鈉溶液，中和度控制在70 %.

1.2.3 聚合溶液的配制

向丙烯酸中和溶液中加入質量分數為0.1 %的交聯劑N,N-亞甲基雙丙烯酰胺，混合攪拌5 min后，將溶液加入到配制好的膨潤土溶液中，經超聲分散1 h.

1.2.4 聚合反應

向配置好的聚合溶液中加入質量分數為2 %過硫酸鉀引發劑，置于70 ～80 ℃水浴中，用玻璃棒不斷攪拌，進行聚合反應，反應完全后在105 ℃下烘干24 h，粉碎備用.

1.2.5 膨潤土/聚丙烯酸鈉復合材料除水性能實驗

稱取1～7 g不同配比的膨潤土-聚丙烯酸鈉復合材料，加入到30 mL含水5 %(體積分數，以下同)的異丙醇中，放置48 h，進行除水實驗，并通過氣相色譜儀對其除水性能進行檢測.

1.3 測試方法

Bio-Rad FTS135型傅里葉紅外光譜鑒定產品；德國Bruker公司D8型X射線衍射儀分析產品的組成；日本JSM-6360LV掃描電鏡觀察產品形貌[12-14]；TP2001型氣相色譜儀檢測異丙醇中剩余水含量.

2 結果與討論

2.1 膨潤土/聚丙烯酸鈉復合材料的表征

圖1 聚丙烯酸鈉的IR譜圖

圖2 膨潤土/聚丙烯酸鈉的IR譜圖

XRD測試結果如圖3所示，d(001)=15.005是鈣基膨潤土的特征峰，復合材料的衍射峰與純的膨潤土衍射峰基本相同，表明膨潤土的結構依然存在；復合材料衍射峰的強度明顯降低，且變為寬而平緩的丘峰狀.這是因為一方面膨潤土的質量分數小，主要成分是聚丙烯酸鈉，另一方面在復合過程中，膨潤土又進行進一步分散.

圖3 膨潤土及膨潤土/聚丙烯酸鈉的XRD圖

SEM測試結果如圖4所示，目標產物為三維的交聯網狀結構，說明聚丙烯酸鈉與膨潤土進行了層間復合.復合物粒子呈不規則的堆砌，粒子和粒子之間存在空隙，水分子可保存在網絡間的空隙內，達到吸水并保水的效果.

圖4 膨潤土/聚丙烯酸鈉的SEM圖

2.2 膨潤土/聚丙烯酸鈉復合材料除水性能研究

2.2.1 除水后膨潤土/聚丙烯酸鈉復合材料的IR測試

圖5 吸水后的膨潤土/聚丙烯酸鈉的IR譜圖

2.2.2 膨潤土/聚丙烯酸鈉復合材料除水性能測試

稱取1～7 g不同配比(質量分數為15 %、30 %、45 %、60 %)的膨潤土/聚丙烯酸鈉復合材料加入到含水5 %的異丙醇溶劑(30 mL異丙醇中含有1.5 mL的水)中進行實驗.靜置48 h后，抽濾，濾餅烘干.對濾液異丙醇進行氣相色譜測試，檢測溶劑中剩余水的含量及剩余異丙醇的含量.測試結果如圖6所示.將膨潤土質量分數為30 %的膨潤土/聚丙烯酸鈉復合材料7 g作為除水劑，能除去含水5 %的異丙醇溶劑中1.5 %的水，除水效果最好.但同時4.04 %的異丙醇溶劑也被吸附，相對吸附效果，水被吸附的幾率增大，吸水后成凝膠狀，易于回收.但仍需對該復合材料進一步改性為親水疏油型的復合材料，提高溶劑除水效果.

圖6 不同復合材料除水性能

3 結 論

(1) 通過IR、XRD、SEM測試證明：以膨潤土、丙烯酸、氫氧化鈉為原料，采用聚合方法制備得到了膨潤土/聚丙烯酸鈉復合材料.

(2) 將膨潤土質量分數為30 %的膨潤土/聚丙烯酸鈉復合材料7 g作為除水劑，能除去含水5 %的異丙醇溶劑中1.5 %的水，但同時4.04 %的異丙醇溶劑也被吸附，相對吸附效果，水被吸附的幾率增大，吸水后成凝膠狀，易于回收.

[1] Szitkai Z，Lelkes Z，Rev E，et al.Optimization of Hybrid Ethanol Dehydration Systems[J].Chem Eng Process，2002，41(7)：631-646.

[2] Jonquières A，Clément R，Lochon P，et al.Industrial State-of-the-art of Pervaporation and Vapour Permeation in the Western Countries[J].J Membr Sci，2002，206(1/2)：87-117.

[3] 付正立.異丙醇脫水技術研究進展[J].化工時刊，2010，24(4)：55-60.

[4] Al-Asheh S，Banat F，Al-Lagtah N.Separation of Ethanol-water Mixtures Using Molecular Sieves and Biobased Adsorbents[J].Chem Eng Res Des，2004，82(7)：855-864.

[5] 王秀道，尹卓容.分子篩吸附法生產無水酒精[J].釀酒科技，2002(1)：24-26.

[6] 韋藤幼，曹玉紅，童張法.微波強化膨潤土的改性及其作用機理[J].過程工程學報，2005，5(4)：411-413.

[7] 童筠.膨潤土干燥劑制備及研究[J].非金屬礦，2003，26(11)：37-38.

[8] 邱竹，韋藤幼.堿性鈣基膨潤土脫水材料的制備及表征[J].過程工程學報，2007，7(4)：822-826.

[9] 范力仁，沈上越，夏開勝，等.超強吸水性蒙脫石/聚丙烯酸鈉復合材料的研究[J].礦物巖石，2005，25(3)：88-90.

[10]鄒新禧.超強吸水劑[M].2版.北京：化學工業出版社，2001：473-638.

[11]林建明，楊正方，普敏莉，等.膨潤土/聚丙烯酸鈉鹽高吸水性復合材料研究[J].礦物學報，2001，21(3)：427-430.

[12]謝奕明,吳季懷.膨潤土/聚丙烯酸鈉超吸水性復合材料的表征[J].華僑大學學報，2007，28(3)：282-286.

[13]魏月琳，吳季懷，黃昀.膨潤土/聚丙烯酸鈉高吸水性材料制備及改性[J].華僑大學學報，2005，26(4)：365-368.

[14]李剛，張虎平，呂德生.膨潤土/有機復合吸水材料的制備及其吸水保水特性研究[J].石河子大學學報:自然科學版，2007,25(1)：88-91.

Using Entonite and Sodium Polyacrylate to Remove a Little Water in Solvent

WANG Xue-ying, SUN Wei, WANG Guo-sheng

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

Currently,the study of applying composite material to dehydrate solvent at room temperature has not been done at home yet.In this paper,bentonite/sodium polyacrylate composite material in different ratio was prepared to study their abilities of dehydrate.The result showed that 1.5 percent of the water in isopropanol(30 mL of isopropanol contain 1.5 mL of water)would be removed when putting 7 g of 30 percent of bentonite/sodium polyacrylate composite material.Furthermore,this composite material is easy to dispose because it will become gelatinous after absorbing water.So,bentonite/sodium polyacrylate composite material can be used to dehydrate in isopropanol.

bentonite/sodium polyacrylate； isopropanol； a little water

2013-12-16

王雪瑩(1990-)，女，遼寧錦州人，碩士研究生在讀，國家獎學金獲得者，主要從事聚合物材料方面的研究.

王國勝(1965-)，男，山東萊州人，教授，博士，主要從事硼鎂化工及功能材料的研究.

2095-2198(2015)03-0238-04

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.03.010

TQ317.4

A