苯乙烯-丙烯腈交聯(lián)樹脂微球的制備及對Pb2+的吸附性能研究

邸宏偉,范超,何花,董俊玲,張楠,王雅婷

(1.寧夏師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,寧夏 固原 756000;2.寧夏師范學(xué)院六盤山資源工程技術(shù)研究中心,寧夏 固原 756000)

礦冶、新能源電池、化工等工業(yè)生產(chǎn)過程中所排出的含有重金屬離子的廢水對環(huán)境造成的污染極其嚴(yán)重。水質(zhì)污染方面所說的重金屬離子一般是指汞、鉻、鉛、鎘、砷等顯著含有生物毒性的金屬離子,也指含有一定毒性的重金屬,如鋅、銅、鈷、鎳、錫等。重金屬不能降解,只能發(fā)生形態(tài)的轉(zhuǎn)變以及離子的遷移[1-2]。

國內(nèi)通常采用的重金屬離子廢水處理方法有石灰中和法、硫化法等,屬于比較傳統(tǒng)的處理方法。這些傳統(tǒng)方法雖然可以將廢水中的絕大多數(shù)重金屬離子除掉,但是,經(jīng)處理后回收的水的水質(zhì)還是難以保證穩(wěn)定達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),還有可能產(chǎn)生二次污染,處理效果并不顯著[3]。

鉛主要作用于我們?nèi)梭w的神經(jīng)遞質(zhì),鉛會使腦內(nèi)去鉀腎上腺素、多巴胺和5-羥色胺的含量明顯降低,造成神經(jīng)質(zhì)傳導(dǎo)阻滯,引起記憶力衰退、癡呆癥、智力發(fā)育障礙等癥。如何能夠有效地除去工業(yè)廢水中的鉛等重金屬離子污染,對人類的身體健康和食品安全具有極其重要的意義。目前所用吸附材料有螯合樹脂[4]、纖維素[5]和納米材料[6]等。本文合成一種苯乙烯-丙烯腈(St-AN)交聯(lián)樹脂微球,該聚合物微球?qū)儆隍蠘渲?具有大量交聯(lián)網(wǎng)孔,可作為吸附劑吸附水中的鉛等重金屬離子污染物[7]。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品

苯乙烯(St),丙烯腈(AN),甲苯,二乙烯基苯,無水乙醇,過氧化二苯甲酰,氯化鈉,十二醇,都是化學(xué)純,購自國藥基團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實驗儀器及設(shè)備

電動攪拌機(jī),型號:DB200-D,上海圣科儀器設(shè)備有限公司;數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋,型號:HHS-11-3,常州諾基儀器有限公司;高速離心機(jī),型號:TL-40B,上海市安享科學(xué)儀器廠;循環(huán)水真空泵,型號:SH2-3,北京亞興泰機(jī)電設(shè)備有限公司;真空干燥箱,型號:DZF-6020,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;索式提取器,型號:SY2200TP,上海秉越電子儀器有限公司。

1.3 苯乙烯-丙烯腈(St-AN)交聯(lián)樹脂微球的制備

在裝有回流冷凝管、機(jī)械攪拌器和溫度計的250 mL三口燒瓶中先加入100 mL蒸餾水,再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%聚乙烯醇水溶液10 mL和5.5 g氯化鈉,在燒杯中加入4.8 g丙烯腈(AN),1.2 g苯乙烯(St),28 g甲苯,14 g二乙烯基苯,12 g十二醇和0.25 g過氧化二苯甲酰,充分?jǐn)嚢?待固體完全溶解后,再向三口燒瓶中加入如上所述的單體反應(yīng)液,采用機(jī)械攪拌,使上述單體分散為一定大小的液珠,水浴加熱升溫至85 ℃時,恒溫條件下反應(yīng)3 h。

產(chǎn)物先經(jīng)過抽濾,再用蒸餾水洗滌抽濾多次以除去產(chǎn)物中的聚乙烯醇,將固體產(chǎn)物在真空干燥箱中干燥24 h,然后干燥產(chǎn)物用乙醇進(jìn)行索氏提取3 h,以除去致孔劑十二醇,提取后再真空干燥稱重過篩,用苯做溶劑索氏提取3 h,除去線型聚合物,然后樹脂微球在乙醇中浸泡30 min,抽濾洗滌,50 ℃真空干燥24 h。

1.4 紅外光譜測試

采用傅里葉變換紅外光譜儀(型號:nicolet summit,賽默飛世爾科技(中國)有限公司),研究St-AN交聯(lián)樹脂微球的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征,光譜范圍:4 500～400 cm-1。

1.5 掃描電鏡測試

將St-AN交聯(lián)樹脂微球樣品噴金,使用環(huán)境電子掃描顯微鏡(JSM-7610F型,日本電子公司)觀測其形貌,加速電壓10 kV。

1.6 吸附性能的測試

1.6.1 吸附性能測試

取一定量硝酸鉛溶于pH值等于5的水溶液中,配置0.55 g/L 鉛離子標(biāo)準(zhǔn)溶液100 mL,加1 g St-AN交聯(lián)樹脂微球樣品,置于燒瓶中攪拌分散5 h,其間每隔一段時間取出一部分上清液離心分離后待用。用原子吸收光譜儀(Aanalyst 300 型,美國 Perkin Elmer 公司)測吸光值。根據(jù)下式來計算平衡吸附量和吸附率:

Ce=(ρ0-ρe)(V/m),E=(ρ0-ρe)/ρ0×100%

(1)

式中:Ce為平衡吸附量(mg/g);E為吸附率(%);ρ0和ρe分別為原溶液和吸附后溶液的鉛離子質(zhì)量濃度(g·L-1);V為溶液體積(L);m為交聯(lián)樹脂的質(zhì)量[8]。

1.6.2 酸度對吸附性能的影響測試

配置pH值為1.0,2.4,3.0,3.8,4.8,5.5,6.0,7.0等的緩沖溶液,繪制吸附量隨酸度變化的Ce-pH值曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

圖1是P(St-co-AN)交聯(lián)樹脂微球的紅外光譜圖。從圖1中可以看到,在1 480～1 500 cm-1和1 593～1 633 cm-1處有吸收峰,這是苯環(huán)上C=C雙鍵的骨架伸縮振動吸收峰;3 024 cm-1處吸收峰是苯環(huán)上Ar—H(=C-H) 伸縮振動吸收峰;2 870～2 920 cm-1處的特征吸收峰是亞甲基伸縮振動吸收峰;2 234 cm-1處是腈基的伸縮振動特征吸收峰;說明制備成功了St-AN交聯(lián)聚合物。

2.2 掃描電鏡分析

St-AN交聯(lián)樹脂的掃描電鏡分析如圖2所示,由圖2可以看出,實驗制備的交聯(lián)樹脂基本為球形,交聯(lián)樹脂上有網(wǎng)孔,對重金屬離子具有吸附性能,可用于處理污水中的重金屬離子。

a, b:10萬倍;c, d:5萬倍。

2.3 吸附性能分析

2.3.1 pH值對吸附量的影響分析

交聯(lián)樹脂在不同的pH值條件下對相同濃度的Pb2+溶液進(jìn)行吸附實驗,研究pH值對吸附性能的影響。由圖3可知,交聯(lián)樹脂的吸附性pH值影響較大,在pH值為1～5.5時,平衡吸附量隨pH值升高而增加,當(dāng)pH值高于5.5時,平衡吸附量開始降低。這是由于在強(qiáng)酸條件下,樹脂上的-CN的N元素處于質(zhì)子化狀態(tài),不會與Pb2+形成配位,吸附能力差;當(dāng)pH值升高,N元素質(zhì)子化程度變小,對Pb2+配位能力增加,樹脂吸附能力提高;當(dāng)酸度進(jìn)一步下降,Pb2+水解作用使樹脂吸附量下降。pH值在5.5附近,吸附量達(dá)到最大。

圖3 pH值對P(St-co-AN)交聯(lián)樹脂微球吸附Pb2+的影響

2.3.2 交聯(lián)樹脂微球?qū)︺U離子吸附動力學(xué)

圖4是交聯(lián)樹脂微球?qū)︺U離子吸附率隨時間的變化。 由圖4可以看出:在2 h內(nèi)交聯(lián)樹脂微球?qū)︺U離子吸附率很快,達(dá)到90%左右,5 h內(nèi)吸附率最終能達(dá)到95%。因此,2 h為最佳吸附時間。

圖4 交聯(lián)樹脂微球?qū)︺U離子吸附動力學(xué)

)

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明:P(St-co-AN)交聯(lián)樹脂微球大致為小球狀,分子內(nèi)的腈基基團(tuán)具有良好的吸附、螯合作用,2 h內(nèi)對鉛離子吸附率達(dá)到90%,可作為金屬螯合劑以及絮凝劑有效處理水中的重金屬離子污染物。但其吸附性也會受到許多因素的影響,如酸度等,pH值在5.5附近,吸附量達(dá)到最大。因此,在選用此交聯(lián)樹脂微球去除廢水中的重金屬離子時,要選擇合適的條件,使其吸附性能達(dá)到最大化。