硅酸鎂/PVP復合膜的制備及對染色劑吸附性能的研究

張曼

摘 要：硅酸鎂作為一種吸附劑，具有較好的吸附效果，與聚乙烯吡咯烷酮（PVP）充分混合，從而得到一種新的吸附效果更好的硅酸鎂/PVP復合膜.通過傅里葉紅外表征和對2種生物染色劑的吸附實驗研究表明：25℃時，硅酸鎂/PVP復合膜對亞甲基藍的脫除率最高，吸附效果最好;15℃時，硅酸鎂/PVP復合膜對結晶紫的脫除率較高，實用性強;吸附劑用量在0.0200g（廢水量25mL）時，吸附效果最佳;吸附時間選擇40min.

關鍵詞：硅酸鎂;聚乙烯吡咯烷酮;吸附;亞甲基藍等生物染色劑

中圖分類號：O6-3 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2020）06-0027-06

1 前言

近些年來，隨著科技的發展，工業的進步，我們的生活環境保護問題也變得越來越嚴峻，其中廢水的污染就是一個十分重要的因素，面對廢水處理問題和資源的循環利用，對于污水的處理方法目前有兩種：物化法和生化法[1，2]，由于物化法是當下對污水進行吸附，效果最好的一種方法，而且不易產生新的污染，具有耗能低、易操作、節約成本等特點[3].因此，我們將采用硅酸鎂為吸附劑，它是一種灰白色的粉末，呈多孔結構[4]，目前主要用于醫學制藥，可以中和胃酸和治療潰瘍面;建筑上可用于墻體的內外保溫材料;工業上多用作吸附劑使用.

亞甲基藍和結晶紫都屬于生物染色劑.其中，亞甲基藍外觀呈暗綠色晶體，是一種水溶性偶氮染料，常溫下化學性質穩定，可溶于水和乙醇，不溶于醚，水溶液呈堿性[5-7].目前多用于生物染色劑、化學指示劑、染料等方面，從而也成為很難處理的一種染料廢水[8].

結晶紫，又稱為龍膽紫、甲紫，是一種十分普遍用的染色劑，隨著社會的發展，人類的需要，導致我國的印染行業不斷增多，從而就引發了廢水污染[9].對于結晶紫的吸附，已知的方法是用膨潤土對其吸附，還有利用靜態吸附法使用赤泥對結晶紫進行吸附，以及利用復合高鐵酸鹽進行吸附.發現最高的脫色率可達到95%以上，效果非常好[10].本次實驗研究一種新的復合材料硅酸鎂/PVP復合膜對其吸附效果，探究溫度、時間、pH值等因素的影響.

本次實驗所涉及的聚乙烯吡咯烷酮是一種高分子化合物，而且目前應用非常廣泛，已發展有陽離子、陰離子、非離子三大類，醫藥、食品、工業三個方面.是白色粉末狀或顆粒狀，有膠體保護作用潤濕性、粘結性、成膜性.

2 實驗材料

2.1 實驗儀器

2.2 實驗儀器

3 實驗方法

3.1 硅酸鎂復合膜的制備

3.1.1 0.5mol/L硅酸鈉溶液和0.5mol/L氯化鎂溶液的配制

在分析天平上稱取硅酸鈉固體14.2095g溶于盛有40mL蒸餾水的100mL小燒杯中，不斷攪拌至全溶，可適當加熱不超過40℃，全溶后轉移至100mL容量瓶，加水定容至刻度線，即得到0.5mol/L的硅酸鈉溶液.同理，稱取10.1605g氯化鎂固體溶于盛有40mL蒸餾水的小燒杯中，攪拌，轉移至100mL容量瓶定容，得到0.5mol/L的氯化鎂溶液備用.

3.1.2 硅酸鎂的制備

用移液管分別移取20mL硅酸鈉溶液和氯化鎂溶液，1：1等量混合于100mL小燒杯中，置于磁力攪拌器恒溫60℃攪拌40min，燒杯中迅速出現白色膠狀沉淀，繼續攪拌沉淀不斷增多，待沉淀出現不明顯時，加入幾滴氨水繼續攪拌沉淀增多，待沉淀出現不明顯時，反復上述操作直至沉淀不增多為止，利用抽濾泵濾出沉淀，用蒸餾水反復洗滌三次.將洗滌后的沉淀置于鼓風干燥箱恒溫60℃，干燥3h后，取出待用.

3.1.3 硅酸鎂的檢驗

在分析天平上稱取硅酸鎂固體0.0022g和0.2012g置于研缽中研細，藥匙取少量混合粉末利用壓片機壓成薄片，壓力控制在10MPa，不得超過10MPa壓制兩分鐘.將薄片放入紅外光譜儀中繪制出紅外光譜圖.

3.1.4 合成硅酸鎂復合膜

用分析天平準確稱取一定質量的硅酸鎂固體放入坩堝中，置于馬弗爐中，恒溫450℃條件下焙燒4小時.稱取與硅酸鎂固體質量為5：1比例的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶于30mLN-N二甲基乙酰胺溶液中（DMAC），待完全溶解，然后將備用的硅酸鎂固體與溶液進行混合，在磁力攪拌器中恒溫70℃攪拌24h，過濾上層液體，取得固體在干燥箱中恒溫60℃干燥3h.之后，利用擠壓機壓制成型.

3.1.5 硅酸鎂復合膜的檢驗

在分析天平上稱取硅酸鎂復合膜固體0.0020g和0.2005g置于研缽中研細，藥匙取少量混合粉末利用壓片機壓成薄片，壓力控制在10MPa，不得超過10MPa壓制兩分鐘.將薄片放入紅外光譜儀中繪制出紅外光譜圖.

3.2 吸附實驗

3.2.1 生物染色劑的配制

用分析天平稱取0.2500g的亞甲基藍固體溶于盛有50mL蒸餾水的100mL小燒杯中，充分攪拌直至固體完全溶解，玻璃棒轉移至250mL容量瓶中，配制濃度為1g/L的生物染色劑，在測量吸光度時濃度過高，因此進行稀釋.利用5mL吸量管移取上述1g/L的亞甲基藍溶液5mL，玻璃棒轉移至100mL容量瓶中定容，相當于稀釋20倍，所得溶液的濃度為50mg/L，同上述操作配制濃度為1g/L的結晶紫生物染色劑，同樣由于吸光度過高進行稀釋.利用5mL吸量管移取上述1g/L的結晶紫溶液2mL，玻璃棒轉移至100mL容量瓶中定容，相當于稀釋50倍，所得的溶液濃度為20mg/L.

3.2.2 硅酸鎂和硅酸鎂復合膜吸附對比實驗

用分析天平稱取0.0100g的硅酸鎂固體和0.0100g的硅酸鎂復合膜固體備用，用20mL移液管分兩次移取20mL稀釋后的亞甲基藍溶液，置于兩個100mL小燒杯中，將剛稱量好的兩份固體藥品倒入兩個燒杯中，加入磁子在磁力攪拌器中恒溫25℃攪拌5h，之后取出上層清液，利用紫外-可見分光光度計測量兩組溶液的吸光度.

3.2.3 顯微鏡觀察硅酸鎂復合膜的吸附效果

取少量硅酸鎂復合膜到載玻片中在顯微鏡下觀察，調整焦距，使鏡中畫面達到最佳清晰的程度，將已經進行吸附后的硅酸鎂復合膜進行上述操作，調整好畫面，拍下照片進行對比分析.

3.3 硅酸鎂復合膜吸附性能的探究

3.3.1 溫度對硅酸鎂復合膜吸附性能的影響

準備好六個干燥的100mL小燒杯，利用20mL移液管向燒杯中分別加入20mL已經配制的亞甲基藍的稀釋溶液.用分析天平準確稱取六份質量0.0100g的硅酸鎂復合膜，分別加入小燒杯中，利用控制變量法控制每個燒杯中磁子的轉速，設置1～6號燒杯中的溫度分別為15℃、25℃、35℃、45℃、55℃、65℃在磁力攪拌器中同時攪拌4小時，注意溫度上升會使水蒸發出來，需要蓋住保鮮膜進行加熱，之后取出上層清液利用紫外-可見分光光度計測量六組溶液的吸光度，繪制曲線.同理，再測量結晶紫的稀溶液時重復上述操作利用紫外-可見分光光度計測量六組溶液的吸光度繪制曲線，其中兩種生物染色劑的脫除率用公式（1）（2）（3）表示：

η=（C0-C1）/C0×100%， ?（1）

A=a·b·c， ?（2）

則

η=（C0-C1）/C0×100%=（A0-A1）/A0×100%， （3）

公式中：η（%）為生物染色劑脫除率;C0（g/L）為生物染色劑初始濃度;C1（g/L）為吸附后生物染色劑的濃度;A0為生物染色劑初始濃度下的吸光度;A1為吸附后生物染色劑濃度的吸光度;a（L/（g·cm））為吸光系數，b（cm）為光在樣本中經過的距離，c（g/L）為溶液濃度.

3.3.2 吸附時間對硅酸鎂復合膜吸附性能的影響

準備好六個干燥的100mL小燒杯，利用20mL移液管向燒杯中分別加入20mL已經配制的亞甲基藍的稀溶液.用分析天平準確稱取六份質量為0.0100g的硅酸鎂復合膜，分別加入到小燒杯中，利用控制變量法控制每個燒杯中磁子的轉速，恒溫25℃不斷攪拌，分別測量1～6號小燒杯在36h、48h、60h、72h、84h、96h時刻上層清夜的吸光度繪制曲線，如圖5.同理，再測量結晶紫的稀溶液時重復上述操作利用紫外-可見分光光度計測量六組溶液的吸光度繪制曲線.

3.3.3 pH值對硅酸鎂復合膜吸附性能的影響

準備好六個干燥的100mL小燒杯，利用20mL移液管向燒杯中分別加入20ml已經配制的亞甲基藍的稀釋溶液.用分析天平準確稱取六份質量0.0100g的硅酸鎂復合膜，分別加入小燒杯中，利用控制變量法控制每個燒杯中磁子的轉速，恒溫25℃不斷攪拌，分別測量1～6號小燒杯在pH=2、pH=4、pH=6、pH=8、pH=10、pH=12時刻上層清夜的吸光度繪制曲線.同理，再測量結晶紫的稀溶液時，重復上述操作利用紫外-可見分光光度計測量六組溶液的吸光度繪制曲線.

3.3.4 吸附劑量對生物染色劑吸附效果的影響

準備好六個干燥的100mL小燒杯，利用20mL移液管向燒杯中分別加入20mL已經配制的亞甲基藍的稀釋溶液.用分析天平準確稱取六份質量0.0100g、0.0150、0.0200g、0.0250g、0.0300g、0.0350g、0.0400g、的硅酸鎂復合膜，分別加入小燒杯中，利用控制變量法控制每個燒杯中磁子的轉速，恒溫25℃不斷攪拌，分別測量1～6號小燒杯上層清夜的吸光度繪制曲線.同理，再測量結晶紫的稀溶液時重復上述操作利用紫外-可見分光光度計測量六組溶液的吸光度繪制曲線.

4 結果分析與討論

4.1 硅酸鎂和硅酸鎂復合膜紅外譜圖分析

圖1和圖2是硅酸鎂顆粒和硅酸鎂復合膜的紅外光譜圖.通過上圖可知兩種譜圖峰形狀十分相似，在1030cm-1、750～600cm-1出現的強吸收峰是硅酸鎂中的Si—O—Si鍵的伸縮振動引起的，以及3450cm-1、1750cm-1是水的特征峰，但在1450cm-1出現了由聚乙烯吡咯烷酮造成的強吸收峰，通過分析可以看出，聚乙烯吡咯烷酮成功的嵌入了硅酸鎂顆粒的表面，并且硅酸鎂的結構沒有受到很大的影響.

硅酸鎂自身的結構就是表面凹凸不平且多孔的白色固體，但聚乙烯吡咯烷酮是一種粘結劑、成膜劑、具有很好的成膜效果，可以有效地與硅酸鎂相互吸附，實驗初期由1：1的配比來進行硅酸鎂和聚乙烯吡咯烷酮，所得到的復合膜吸附效果很不理想，它的吸附效果是比硅酸鎂自身的吸附效果差得很多，分析過后認為是表面活性劑的添加配比過高，所以要適當地減小比例，由2：1到3：1到5：1不斷地進行試驗測定最后確定了合適的成膜配比，得到具體的成膜比例后繼續進行探究實驗，因此，得到結論不是由于比例問題使活性劑的比例過高，對硅酸鎂形成包裹，從而影響到硅酸鎂復合膜的吸附效果.

4.2 吸附實驗分析

通過表3，已知配制濃度的亞甲基藍吸光度為1.629，已知配制濃度的結晶紫吸光度為1.399，通過硅酸鎂和硅酸鎂復合膜吸附對比實驗，在同一組生物染色劑下，由硅酸鎂吸附和硅酸鎂復合膜吸附，都使該生物染色劑的吸光度大幅下降，而硅酸鎂復合膜相對硅酸鎂對該兩種生物染色劑的吸附效果更好.

由于復合膜中的聚乙烯吡咯烷酮它是一個很好的抗污垢再沉淀物質，有非常強的洗凈能力，與很多有機染料都有很好的親和效果，再結合它的成膜性、粘結性可以很好地附著在硅酸鎂的表面，大大提高了硅酸鎂原本的吸附效果和染色劑的脫除率.

通過實驗，可以觀察到未吸附的硅酸鎂復合膜由于合成、洗滌、干燥、焙燒，所得到的晶型是不規則的，顆粒度大小是比較隨機的，顏色呈白色比較干凈，未觀察到雜質.吸附亞甲基藍和結晶紫后的硅酸鎂復合膜相比未吸附的硅酸鎂復合膜，表面附著著很多有色物質，并且透明度變不大.

通過結果的呈現與分析，從形狀、顏色、透明度、可以證明配制出的硅酸鎂復合膜的吸附效果是很理想的.

4.3 溫度對硅酸鎂復合膜吸附性能的分析

通過圖3所示，橫坐標為硅酸鎂復合膜吸附亞甲基藍的不同溫度條件，縱坐標為不同溫度條件下硅酸鎂進行吸附的脫除率，可以看到在15～25℃之間呈現脫除率上升趨勢，25℃到達最高點，溫度繼續升高呈現脫除率下降，結果得到25℃下硅酸鎂復合膜對亞甲基藍的脫除率最高，25℃溫度將該復合應用到工業當中效果比較理想，操作條件合理，成本低，實用性強.

發生上述的情況可能是由于復合膜自身在25℃下的結構最穩定，表面的吸附孔徑最大，另一種可能是亞甲基藍溶液的溶解度比較小，對于液體的吸附，溶質在溶劑中的溶解度愈小，其平衡吸附量將愈大，當然吸附效果就最好.

通過圖4所示，橫坐標為硅酸鎂復合膜吸附結晶紫的不同溫度條件，縱坐標為不同溫度條件下硅酸鎂進行吸附的脫除率，可以看到在15～30℃之間呈現脫除率下降趨勢，55℃后隨著溫度的升高曲線接近平穩的趨勢，30℃溫度附近硅酸鎂復合膜對結晶紫的脫除率最低，綜合上述，將復合膜對結晶紫的吸附這一應用使用到工業當中時，考慮到成本與實際操作，將溫度控制到15℃比較合理.

發生上述的情況可能是由于結晶紫在30℃下的溶解度最大，表面的吸附孔徑最大，但對于溶解度過高的結晶紫其吸附效果還是不理想，隨著溶解度的減小使吸附效果增強，對于液體的吸附，溶質在溶劑中的溶解度愈小，其平衡吸附量將愈大，當然吸附效果就最好.

4.4 吸附時間對硅酸鎂復合膜吸附性能的分析

圖5可以看出硅酸鎂復合膜對亞甲基藍溶液的脫除率隨著吸附時間的增加逐漸增高，但隨著后期的時間增加脫除率的變化量是不斷減小的，但不會影響脫除率的增加，吸附效果的增加.

隨著時間的增加，溶液的濃度逐漸降低，則吸附劑對染色劑分子的吸附概率減小，吸附效果變差，另一個原因就是硅酸鎂復合膜的表面孔徑隨著附著的染色劑分子越來越多，孔數量變少，吸附效果變差脫除率的變化量變小.

從圖6可以看出，硅酸鎂復合膜對結晶紫溶液的脫除率隨著吸附時間的增加逐漸增高，但隨著后期的時間增加脫除率的變化量是不斷減小的，但不會影響脫除率的增加，吸附效果的增加.

隨著時間的增加，溶液的濃度逐漸降低，則吸附劑對染色劑分子的吸附概率減小，吸附效果變差，另一個原因就是硅酸鎂復合膜的表面孔徑隨著附著的染色劑分子越來越多，孔數量變少，吸附效果變差脫除率的變化量變小.

4.5 pH值對硅酸鎂復合膜吸附性能的分析

在操作pH值對硅酸鎂復合吸附影響的時候，加入5mol/L的稀硫酸調節pH值時使紫色的結晶紫變為藍色，所以對調制后的結晶紫溶液進行了紫外波長的測定，測得變色后的結晶紫溶液的最大波長變為624nm，與結晶紫的正常最大吸收波長582nm不相符.

使結晶紫溶液的最大吸收波長改變的原因，有可能是結晶紫本身是一種高分子的有機物，其內部結構含有很多的共軛鍵，影響著化合物的最大吸收波長，如果最大吸收波長發生改變，很有可能是內部結構已經發生改變，該化合物已經不是結晶紫，所以該影響因素并不適合對硅酸鎂復合膜的吸附效果再進行討論，所以不再繼續進行該影響實驗.

4.6 吸附量對硅酸鎂復合膜吸附性能的分析

通過圖7，隨著吸附劑加入量增多，亞甲基藍溶液吸光度逐漸降低，在0.0100～0.0200g之間吸光度呈現大幅度上升，表明在該吸附劑量之間對亞甲基藍的脫除率變化最大，在0.0200g后隨著吸附劑量的增多吸光度仍然呈現上升，但幅度不大表明脫除率的變化量變小，即斜率變小.

上述分析可以看出吸附劑量不大的時候吸附效果最好，隨著吸附劑量的增多吸光度仍然下降，但是效果不如之前，可能由于亞甲基藍溶液的濃度到后期下降到比較低，影響吸附效果，因此，對其他影響因素的實驗考慮到保證吸附效果和節約藥品，將吸附劑量控制為0.0200g.

圖8所示，隨著吸附劑加入量增大，結晶紫溶液吸光度逐漸降低，在0.0150～0.0200g之間吸光度呈現大幅度上升，表明該吸附劑量之間對結晶紫的脫除率變化量最大，在0.0200g后隨著吸附劑量的增大吸光度仍然呈現上升，但幅度不大表明脫除率的變化量變小，即斜率變小.

上述分析可以看出吸附劑量不大的時候吸附效果最好，隨著吸附劑量的增多吸光度仍然下降，但是效果不如之前，可能由于結晶紫溶液的濃度到后期下降到比較低，影響吸附效果，因此對其他影響因素的實驗考慮到保證吸附效果和節約藥品，將吸附劑量控制為0.0200g.

5 結論

硅酸鎂作為一種重要的吸附材料，實驗對硅酸鎂的合成進行了新的探究，結合了表面活性劑（PVP）根據不斷地嘗試比例、時間、溫度，最后成功的合成了具有良好吸附效果的硅酸鎂/PVP復合膜，并且對其各方面性能進行了更深入的研究.根據紅外光譜圖和顯微鏡下的三種實例圖總結出硅酸鎂復合膜具有更良好的紅外吸收峰和表面孔徑;研究溫度、吸附劑用量、吸附時間對吸附效果的影響：25℃時，硅酸鎂/PVP復合膜對亞甲基藍的脫除率最高，吸附效果最好;15℃時，硅酸鎂/PVP復合膜對結晶紫的脫除率較高，實用性強;吸附劑用量在0.0200g（廢水量25mL）時，吸附效果最佳;吸附時間選擇40min.

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