復合材料PHEMA/SiO2對日落黃的吸附研究

楊瑩張立

（安慶醫藥高等專科學校，安徽 安慶 246052）

復合材料PHEMA/SiO2對日落黃的吸附研究

楊瑩張立

（安慶醫藥高等專科學校，安徽 安慶 246052）

文章將聚甲基丙烯酸β-羥乙酯接枝到硅膠表面，制備了可重復利用的環境友好復合材料PHEMA/SiO2，研究其對廢水中染料日落黃的吸附特性。靜態吸附實驗結果表明，當吸附時間為10 h，pH值為2.0時，復合材料PHEMA/SiO2對日落黃的最大吸附量可達46.3 mg/g，復合材料對日落黃的吸附主要來自靜電相互作用力。

復合材料；日落黃；吸附

在食品、紡織、皮革以及造紙等工業生產中，每年會產生大量的染料，這些染料大多數都具有毒性[1]，不僅對人類健康構成了巨大威脅，而且對環境造成了不可逆轉的破壞。日落黃屬于偶氮型合成染料，在食品以及藥品的染色工藝中廣泛應用[2]，若長期、大量攝入日落黃會對人的肝臟和腎臟造成危害，輕者會產生腹瀉或過敏癥狀，重者會帶來致癌的可能[3]。因此，有效去除水環境中的染料日落黃是擺在科研人員面前的一項緊迫任務。

硅膠是一種無毒害且化學性質穩定的物質，在微米級或納米級硅膠以及某些金屬氧化物等無機微粒表面接枝功能聚合物所制得的聚合物/無機復合材料既兼具了聚合物大分子的特性，又具備了無機微粒的化學穩定性和機械強度，因此復合材料被廣泛應用于酶的固定化、廢水處理以及色譜分析等領域[4]。聚甲基丙烯酸β-羥乙酯（PHEMA）是一種具有生物相容性與血液相容性的功能聚合物，在環境、生物與材料科學領域應用廣泛。本研究將聚甲基丙烯酸β-羥乙酯接枝到硅膠表面制備復合材料PHEMA/SiO2用于吸附廢水中染料日落黃，是一種環境友好的吸附材料。

1 實驗部分

1.1 復合材料PHEMA/SiO2的制備

將硅膠與甲烷磺酸水溶液（質量分數是5%）混合，在室溫下攪拌5 h，用蒸餾水多次洗滌，真空干燥24 h后得到活化硅膠。取10 g活化硅膠與乙醇水溶液混合 （乙醇與水的體積比為1:1），再加入10 mLγ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷（KH-570），將溫度升至 55℃，持續反應 24 h，反應結束后將產物用乙醇洗滌3次，真空干燥即制得偶聯了KH-570的硅膠。向裝好回流冷凝管、溫度計和攪拌器的四口燒瓶中倒入蒸餾水350 mL、偶聯了KH-570的硅膠10 g以及甲基丙烯酸β-羥乙酯10 mL，通入N2并加入0.1 g引發劑過硫酸銨，在65℃下反應24 h。產物用乙醇反復洗滌，真空干燥后即得到硅膠表面接枝了聚合物PHEMA的復合材料PHEMA/SiO2。

1.2 動力學吸附

在25℃下，pH值為2.0時，向裝有初始濃度為80 mg/L的日落黃錐形瓶中各倒入0.1 g復合材料PHEMA/SiO2， 分別恒溫振蕩 1h、2h、4h、6h、8 h、10 h、12 h 以及 14 h，取上層清液，測定日落黃濃度。（日落黃在481 nm處具有特征吸收，故采用紫外分光光度法測定吸附前后日落黃濃度的變化）。

1.3 等溫吸附

在25℃下，pH值為2.0時，配制濃度系列變化的日落黃溶液：10mg/L、30mg/L、50mg/L、70mg/L、90 mg/L、120 mg/L、150 mg/L 各 60 mL， 分別加入0.1 g復合材料PHEMA/SiO2，恒溫振蕩，10 h后取上層清液，測定日落黃濃度，繪制平衡吸附量Qe隨平衡濃度Ce的變化曲線。平衡吸附量計算公式為：Qe=（C0-Ce）V/1000m， 式中 C0、Ce分別為吸附前和吸附平衡后溶液中日落黃的濃度（g/L），V為吸附液體積 （mL），m為復合材料PHEMA/SiO2的質量（g）。

1.4 pH值的影響

向裝有60 mL初始濃度為80 mg/L的日落黃錐形瓶中分別加入0.1 g復合材料PHEMA/SiO2，用稀鹽酸或氫氧化鈉調節溶液的pH值，使各錐形瓶中溶液 pH 值分別為 2.0、3.0、4.0、6.0、8.0、10.0以及11.0，在25℃下恒溫振蕩10 h，取上層清液測定日落黃濃度，繪制平衡吸附量Qe隨溶液pH值的變化曲線，考察吸附量隨pH值的變化情況。

1.5 日落黃的解吸

為了評估復合材料PHEMA/SiO2的重復使用性能，進行了解吸實驗測試：將飽和吸附了日落黃的復合材料PHEMA/SiO2分別裝在pH值為8.0、9.0、10.0、11.0 以及 12.0 的溶液中，在 25℃下恒溫振蕩24h，計算解吸率，繪制解吸率隨溶液pH值的變化曲線。解吸率的計算公式為：解吸率（%）=（解吸日落黃的量/被吸附日落黃的量）×100%

2 結果與討論

2.1 復合材料PHEMA/SiO2的紅外光譜分析

圖1為硅膠微粒接枝PHEMA前后的紅外光譜圖。從圖中可知，硅膠在3440 cm-1附近的寬峰是硅羥基以及吸附水相關的吸收峰。偶聯了KH-570后的硅膠（MPS-SiO2）在3440 cm-1附近的吸收峰顯著減弱，在2950 cm-1處出現了C-H鍵的不對稱伸縮振動吸收峰，1735 cm-1處出現了羰基C=O鍵的伸縮振動吸收峰，并在1297 cm-1處出現了酯基C-O-C的伸縮振動吸收峰，上述變化表明KH-570已經偶聯到了硅膠表面生成了MPS-SiO2。從PHEMA/SiO2譜線可以看出，由于醇羥基的引入，使3440 cm-1附近的吸收峰又大大加強了，2950 cm-1處的C-H鍵不對稱伸縮振動吸收峰、1735cm-1處的羰基吸收峰，以及1297 cm-1處的酯基吸收峰均明顯加強，這些變化表明PHEMA已經與MPS-SiO2發生了反應，形成了復合材料PHEMA/SiO2。

圖1 PHEMA/SiO2接枝前后的紅外光譜圖

2.2 復合材料PHEMA/SiO2的形貌

圖2中（a）和（b）分別為硅膠微粒接枝PHEMA前后的掃描電鏡照片。由（a）圖可見，硅膠微粒在沒有接枝PHEMA前表面比較粗糙，凹凸不平，但是接枝PHEMA后表面變得相對光滑平整（如圖2中 （b）所示），這是由于接枝的大分子PHEMA將硅膠凹凸表面填補包覆所致。

圖2 硅膠和PHEMA/SiO2的掃描電鏡照片

2.3 動力學吸附研究

圖3為復合材料PHEMA/SiO2對日落黃的動力學吸附曲線，由圖可知，吸附量隨吸附時間的進行而逐漸增大，當吸附時間達到10 h后，對日落黃的吸附量基本不隨時間的變化而發生改變，說明此時吸附量已經趨于飽和，因此，確定動力學吸附時間為10 h。

圖3 動力學曲線

2.4 吸附等溫線

圖4為復合材料PHEMA/SiO2對日落黃的吸附等溫線，可以看出，隨著溶液平衡濃度的增大，對日落黃的平衡吸附量也在不斷增大，當日落黃的平衡濃度為72.8mg/L時（初始濃度為150mg/L），復合材料PHEMA/SiO2對日落黃的吸附量達到最大值，可達46.3 mg/g。

圖4 對日落黃的等溫吸附線

2.5 pH對吸附性能的影響

圖5為pH值對復合材料PHEMA/SiO2吸附日落黃的影響曲線。實驗結果表明，當pH值小于6時，復合材料PHEMA/SiO2對日落黃的吸附量隨pH值的減小而顯著升高，當pH值為2.0時對日落黃的吸附量達到最大值；當pH值大于6時，復合材料PHEMA/SiO2對日落黃的吸附量較小，且吸附量基本不隨pH值的改變而發生變化。這是因為當pH值越低時溶液中的質子就越多，復合材料PHEMA/SiO2表面的羥基質子化程度就越高[5]，也就是復合材料PHEMA/SiO2表面帶的正電荷越多。而日落黃是一種表面荷負電荷的陰離子染料，從而使得當pH值越低時復合材料PHEMA/SiO2與日落黃之間的靜電相互吸引力就越強，導致吸附量就越高。

圖5 pH值對吸附日落黃的影響

2.6 解吸曲線

日落黃的解吸曲線如圖6所示，在pH值為8.0至12.0范圍內對日落黃的解吸率呈現先增大后減小的趨勢，當pH值為11.0時，日落黃的解吸率達到83.7%。因此，控制溶液pH值為11.0時可達到最佳解吸效果，實現復合材料PHEMA/SiO2的重復利用。

圖6 不同pH值下落日黃的解吸曲線

3 結論

本研究將硅膠良好的機械強度、化學穩定性及低成本的優點與高分子材料聚甲基丙烯酸β-羥乙酯無毒害、具有生物相容性的優點集合于一體，制備了復合材料PHEMA/SiO2。通過靜態吸附實驗考察其對廢水中染料日落黃的吸附特性，當吸附時間為10 h，pH值為2.0時，復合材料PHEMA/SiO2對日落黃的最大吸附量可達46.3 mg/g，是一種既環保又可重復利用的材料，復合材料對日落黃的吸附主要來自靜電相互作用力，該復合材料對研究吸附法處理染料具有重要的參考意義。

[1]王培，王向宇，和婧，等.CTAB改性納米零價鐵的制備與橙黃II的降解[J].環境工程學報，2016，（6）：2902-2908.

[2]王桂霞，孔翔飛.QARBC改性陽離子型丙烯酰胺三元共聚物的絮凝性能[J].工業水處理，2014，（9）：44-46+50.

[3]林葵，江思華，陳秋虹，等.南寧部分地區雞、鴨肉制品中6種合成色素的測定[J].安徽農業科學，2015，（23）：256-257.

[4]孟建，陳璐璐，李延斌，等.非水介質中表面引發接枝聚合法制備接枝微粒PMAA/SiO2及其對阿魏酸的氫鍵吸附性能[J].過程工程學報，2015，（4）：646-652.

[5]陳萍華，蔣華麟，曹群，等.磁性氧化鋯/殼聚糖納米復合材料吸附日落黃的性能研究[J].南昌航空大學學報（自然科學版），2012，（3）：69-77.

A STUDY OF THE EFFECT OF COMPOSITE MATERIAL PHEMA/SiO2 ON THE ABSORPTION OF SUNSET YELLOW

YANG YingZHANG Li
（Anqing Medical College，Anqing Anhui 246052）

When the poly 2-Hydroxyethyl methacrylate（PHEMA）is grafted on the surface of silica gel,the reusable and environment-friendly composite material PHEMA/SiO2can be prepared.The effect of PHEMA/SiO2on the absorption characteristic of sunset yellow in waste water is studied in this paper.Static adsorption experiments show that the composite material PHEMA/SiO2has strong adsorption property for sunset yellow due to the electrostatic interaction.When the adsorption time is 10 h and the PH value is 2.0,its maximum adsorption capacity to sunset yellow can reach 46.3 mg/g.

Composite material； Sunset yellow； Absorption

TS264.4

A

：1672-2868（2017）03-0073-04

責任編輯：李 曉

2017-03-09

安徽省2016年高校優秀青年人才支持計劃重點項目（項目編號：gxyqZD2016509）

楊瑩(1982-)，女，河北唐山人。安慶醫藥高等專科學校，副教授。研究方向：功能高分子材料。