P(AM-AANa)水凝膠在染料污水處理中的應用研究

穆瑞花，齊 震，韓 娜，陳啟榮，趙天賦，盧琪琪

(西安工程大學 環境與化學工程學院，陜西 西安 710048)

隨著染料新品種的不斷出現，紡織品印染廢水量也在不斷增大。數據顯示，我國印染廢水日排放總量為300～400 t，每排放1 t未經處理的染料廢水，就會造成20 t天然水污染。因此，如何處理廢水中的染料引起國內外專家的高度重視[1-4]。目前，許多技術已應用于染料廢水處理，如氣浮法、膜分離法及化學法等，但上述處理技術大部分都存在二次污染、膜通量有限、成本高、設備占地面積大等缺點。

吸附法由于具有處理方便、去除效率高、可重復利用等優點，在近幾年的研究和應用中受到了極大的關注。隨著研究的不斷深入，污水處理的工藝方法層出不窮，而水凝膠因其獨特的三維網絡結構、優越的吸附性能、良好的吸附速率以及較好的再生性能，使其在污水處理領域備受關注[5-7]。它們具有良好的親水性能，吸附完全后容易再生，環境友好[8-10]。

本研究的主要內容是將制備的水凝膠應用到染料(堿性藏花紅ST、亞甲基藍MB、孔雀石綠MG以及結晶紫CV)的吸附過程中，并對其吸附性能進行考察，旨在為研制出性能優越的染料吸附材料做一探索性研究。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑與儀器

堿性藏花紅(ST，C20H10N4C1，98%)，國藥集團化學試劑有限公司；亞甲基藍(MB，C16H18C1N3S·3H2O，98%)，國藥集團化學試劑有限公司；孔雀石綠(MG，C23H25C1N2，98%)，國藥集團化學試劑有限公司；結晶紫(CV，C25H30C1N3，98%)，國藥集團化學試劑有限公司；P(AM-AANa)水凝膠，實驗室自制。

紫外可見分光光度計(UV-2450，SHIMADZU CORPORATION)；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101，鞏義市予華有限責任公司)；場發射掃描電鏡(Quanta-450，美國FEI公司)。

1.2 P(AM-AANa)水凝膠的SEM分析

將制備好的P(AM-AANa)水凝膠經在50℃進行真空干燥預處理后，采用Quanta-450型場發射掃描電鏡觀察所制備的P(AM-AANa)水凝膠的網絡結構。將吸附染料后的水凝膠P(AM-AANa)-ST,P(AM-AANa)-MB，P(AM-AANa)-MG,P(AM-AANa)-CV，置于真空干燥箱中，以50℃烘干至恒重，采用掃描電子顯微鏡觀察P(AM-AANa)干凝膠吸附染料前后表面形貌的變化。

1.3 P(AM-AANa)水凝膠對不同染料的吸附

1.3.1 吸附過程

配制質量濃度均為10 mg/L的ST、MB、MG、CV四種染料溶液，恒溫震蕩60 min后，靜止沉降，定容，備用。取四個離心管，分別加入8 mL配置好的染料溶液，用紫外可見分光光度計測其吸光度A；再分別稱取2 mg P(AM-AANa)水凝膠粉末加入其中，靜置24 h，再測其吸附后的吸光度A，計算吸附率St。

1.3.2 吸附率的計算

其中：C0為初始染料溶液的濃度，mg/L；Ct為取樣時間為t時染料溶液的濃度，mg/L；St為t時間取樣時凝膠對染料溶液的吸附率。

2 結果與討論

2.1 P(AM-AANa)水凝膠在不同染料溶液中的吸附實驗

P(AM-AANa)對ST、MB、MG及CV不同染料吸附前后如圖1所示，相關數據見表1。從圖1可以看出P(AM-AANa)水凝膠對MB的吸附效果最佳，其次為CV，對ST及MG的吸附效果不明顯。P(AM-AANa)水凝膠對ST、MB、MG及CV的吸附率分別為2.6 %、16.2%、7.9%以及12.0%(見表1)。

表1 P(AM-AANa)水凝膠吸附前后四種染料溶液的吸附數據

從左往右依次為：ST、MB、MG及CV圖1 P(AM-AANa)水凝膠吸附前后四種染料溶液

配制MB染料溶液，濃度依次為1、3、5、10、15、20及30 mg/L，測其A值。然后，量取以上染料溶液各8 mL，稱取2 mg P(AM-AANa)水凝膠樣品，分別加入到上述不同染料溶液中，暗室靜置吸附80 min后，離心10 min，然后再測其A值，計算平衡吸附容量Qt。Qt的計算公式如下：

式中：Qt為t時間取樣時干凝膠吸附染料的含量，mg/g；C0為初始染料溶液濃度，mg/L；Ct為取樣時間為t時溶液中染料的濃度，mg/L；V為溶液的體積，L；m為干凝膠的質量，g。上述所配制7種染料溶液的吸附實驗數據如表2所示。

表2 不同濃度MB溶液的吸附容量

將表2中的數據整理成圖2。從圖中可以看出染料溶液的濃度c與A成正比關系，且A=0.14c，基本符合朗伯比爾吸光定律。

圖2 MB染料溶液的吸光度隨溶液濃度的變化曲線

吸附容量隨染料溶液的濃度變化如圖3所示。從圖3可以看出，Qt隨著染料初始濃度的增加而增加，當MB的初始濃度為20 mg/L時，P(AM-AANa)水凝膠的Qt值趨于穩定，基本達到最大吸附量。

圖3 MB溶液的Qt值與其c的關系曲線

2.2 P(AM-AANa)水凝膠的SEM分析

吸附染料P(AM-AANa)-ST，P(AM-AANa)-MB，P(AM-AANa)-MG，P(AM-AANa)-CV后的水凝膠如圖4所示。吸附染料后的水凝膠分別呈現出不同染料的顏色，其中吸附堿性藏花紅ST、亞甲基藍MB、結晶紫CV后的水凝膠顆粒顏色較深；而孔雀石綠MG染料原本應為較深的松樹綠顏色，但吸附后的水凝膠卻為藍綠色。

圖4 吸附染料后的P(AM-AANa)水凝膠圖片

為了能夠進一步了解水凝膠的網狀形貌，將P(AM-AANa)水凝膠在50℃進行真空干燥，然后利用SEM分析其表面形貌，其結果如圖5所示。從圖5可以看出，P(AM-AANa)水凝膠內部布滿大小不一的孔道，表面呈溝壑狀，溝壑之間有略微的突起，表面雖比較光滑，但并不平整。真空干燥的水凝膠顆粒在脫水過程中整體塌陷，因此沒有出現高分子鏈束大孔網絡形貌。

圖5 P(AM-AANa)水凝膠的SEM圖

為了對比P(AM-AANa)水凝膠吸附染料溶液后與吸附染料之前存在的形態變化，我們對P(AM-AANa)水凝膠吸附染料后的形貌進行了表征，如圖6所示。

圖6 P(AM-AANa)水凝膠吸附染料后的SEM圖

從圖6可以看出，與吸附前相比，吸附染料后的水凝膠表面形態各異。吸附ST后的水凝膠表面，層次不齊、突起，變為略微凸起的顆粒絮狀；吸附MB后的水凝膠表面的多有不規則的形狀，類似于脆皮雞蛋狀；吸附MG后的水凝膠表面凹凸不平，吸附不均勻，呈現大面積的不規則形結構，這可能與MG自身的結晶結構有關；吸附CV后的水凝膠與其它三者相比，變化最為細微，但仍有不同，這可能與染料本身的結晶結構有關。

3 結論

P(AM-AANa)水凝膠對四種染料(ST，MB，MG，CV)存在選擇性吸附差異，這主要是由于染料通過P(AM-AANa)水凝膠中羧基和酰胺基的相互作用而吸附到P(AM-AANa)水凝膠上。不同染料與水凝膠中羧基和酰胺基的相互作用力大小不一樣，導致了吸附效果不同。P(AM-AANa)水凝膠對MB的吸附影響最為顯著，吸附率達到16.2%，吸附容量隨著MB染料初始濃度的增加而呈遞增趨勢，最后達到最大吸附量即飽和吸附量。