聚丙烯酸钠-硅溶胶的合成及其对阳离子金黄染料的吸附

杨秀菊，蒲云平，倪 良

（江苏大学 化学化工学院，江苏 镇江 212013）

聚丙烯酸钠-硅溶胶的合成及其对阳离子金黄染料的吸附

杨秀菊，蒲云平，倪 良

（江苏大学 化学化工学院，江苏 镇江 212013）

通过简单的水溶液聚合法成功合成了聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂，并对其进行了SEM和热重分析，研究了吸附条件对该吸附剂对阳离子金黄染料吸附效果的影响。实验结果表明，当硅溶胶质量分数为20%、初始染料质量浓度为60 mg/L、初始溶液pH为7、反应温度为298 K时，聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂对阳离子金黄染料的吸附量为64.64 mg/g。由二级吸附动力学模型获得的活化能（Ea=2.617 kJ/mol）表明，聚丙烯酸钠-硅溶胶复合材料对阳离子金黄的吸附属于物理吸附，低温有利于吸附。

聚丙烯酸钠；硅溶胶；阳离子金黄；吸附；废水处理

随着工业的快速发展，越来越多的工业污染物排放到环境中，其中染料造成的污染已引起了人们足够的重视。我国每年印染废水排放量为（6～7）×108t，约占工业废水总排放量的1/10，是当前主要的水体污染源之一［1］。这些印染废水部分与地表水混合，部分渗入地下水系统中，进而进入到人们日常饮用水中。由于复杂特殊的分子结构，染料不能完全被微生物降解［1-3］，从而对人类的健康带来巨大的威胁。所以，印染废水的处理已经引起了科研工作者的广泛观注［1，4］。

聚丙烯酸钠作为一种高效吸水材料和吸附剂得到了广泛而深入的研究。郑易安等［5］研究了聚（丙烯酸-丙烯酰胺）-膨润土-腐植酸钠对Cd2+的吸附性能，重点考察了吸附剂吸附Cd2+时对pH的依赖性及吸附动力学和吸附等温线。李小宏等［6］研究了聚丙烯酸水凝胶对Fe3+的吸附行为及其动力学。对于高分子吸附剂的改性，一般都采用较为复杂的合成方法［7-9］。

本工作用简单的水溶液聚合法在聚丙烯酸钠的合成过程中直接添加硅溶胶无机材料，合成了聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂，并将其应用于阳离子金黄染料的吸附中，发现在常温常压和中性环境中，聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂在很短的时间内就能达到很好的吸附效果。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

N，N-亚甲基双丙烯酰胺：化学纯；丙烯酸、过硫酸铵、氢氧化钠、无水亚硫酸钠：分析纯；硅溶胶、阳离子金黄染料：工业品；所用水均为去离子水。

TU-1810型紫外-可见分光光度计：北京普析通用仪器有限公司；PHS-3C型酸度计：上海通达仪器厂；S-4800型场发射SEM：日本日立公司；STA 449C型热分析仪：德国耐驰仪器制造有限公司。

1.2 复合吸附剂制备方法

称取6 g丙烯酸，加入9 m L去离子水，边搅拌边将5 m L 浓度为8 mol/L的氢氧化钠溶液滴加到丙烯酸溶液中，保证滴加过程中温度不超过40 ℃。然后分别加入0.014 g的N，N-双甲基丙烯酰胺、0.06 g过硫酸胺和0.04 g无水亚硫酸钠，搅拌溶解，最后向混合溶液中加入一定量的硅溶胶，于65 ℃恒温水浴锅中反应2 h，形成水凝胶。将水凝胶剪成小块， 80 ℃真空干燥24 h，研磨过筛后得聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂，于干燥器中备用。

1.3 染料吸附实验方法

取100 m L一定质量浓度和pH的阳离子金黄染料溶液（简称染料溶液），加入0.08 g复合吸附剂，恒温搅拌反应使其达到吸附平衡，在阳离子金黄最大吸收波长440 nm处测定溶液吸光度，计算复合吸附剂吸附量。

2 结果与讨论

2.1 复合吸附剂的表征

2.1.1 复合吸附剂的热重分析

聚丙烯酸钠（a）和聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂（b）的热重曲线见图1。由图1可见：聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂的热稳定性明显高于纯聚丙烯酸钠；在400 ℃附近，聚丙烯酸钠失重率已达到80%，而聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂失重率约为50%，由此说明硅溶胶有利于提高聚丙烯酸钠的热稳定性。

图1 聚丙烯酸钠（a）和聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂（b）的热重曲线

2.1.2 复合吸附剂的SEM照片

聚丙烯酸钠（a）、聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂吸附前（b）和吸附后（c）的SEM照片见图2。

图2 聚丙烯酸钠（a）、聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂吸附前（b）和吸附后（c）的SEM照片

由图 2a可见，聚丙烯酸钠高分子聚合物的表面比较光滑；图 2b显示出添加硅溶胶的聚丙烯酸钠表面出现了许多白色的小点，表面比较光滑；由图2c可见吸附染料后聚丙烯酸钠-硅溶胶表面相对比较粗糙。这主要是由于阴离子水凝胶的静电作用和纳米粒子的表面吸附作用导致染料分子沿硅溶胶胶粒周围铺开，硅溶胶的疏密不均匀，致使染料分子的分布也不均匀，这样使得聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂的表面出现了凹凸不平的状态。

2.2 硅溶胶质量分数对吸附量的影响

当初始染料质量浓度为60 mg/L、初始溶液pH为7、反应温度为298 K时，硅溶胶质量分数对吸附量的影响见图3。由图3可见：随硅溶胶质量分数的增加，聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂对阳离子金黄的吸附量增加；当硅溶胶的质量分数超过20%后，吸附量稍下降后基本不变。聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂对阳离子金黄的吸附主要是靠静电作用，但由于硅溶胶表面存在大量的Si—OH，易与水中染料形成氢键作用，从而对吸附有一定的促进作用。因此以下实验选择硅溶胶质量分数为20%。

图 3 硅溶胶质量分数对吸附量的影响

2.3 初始溶液pH对吸附量的影响

当初始染料质量浓度为60 mg/L、反应温度为298 K时，初始溶液pH对吸附量的影响见图4。由图4可见：初始溶液pH在2～3时，平衡吸附量快速增加；当初始溶液pH为3～6时，平衡吸附量随初始溶液pH增大而增加缓慢；当初始溶液pH大于6时，平衡吸附量变化不大。这主要是由于在pH较低时，聚丙烯酸钠-硅溶胶表面吸附了大量的H3O+，使得其表面呈正电性，由于静电斥力作用严重抑制了吸附剂对阳离子染料的吸附。随着pH的增大，静电斥力作用的影响越来越小，而静电引力的作用逐渐增强，从而导致平衡吸附量逐渐增加。实验选择初始溶液pH为7。

图4 初始溶液pH对吸附量的影响

2.4 初始染料质量浓度对吸附量的影响

当初始溶液pH为7时，初始染料质量浓度对吸附量的影响见图5。由图5可见：随着初始染料质量浓度的增大，平衡吸附量随之增大；并且当初始染料质量浓度一定时，随着反应温度的升高，平衡吸附量略有减小。由此说明聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂具有较强的吸附能力，同时低温有利于吸附。当初始染料质量浓度为60 mg/L、反应温度为298 K时，平衡吸附量为64.64 mg/g。

图5 初始染料质量浓度对吸附量的影响

2.5 吸附动力学研究

2.5.1 吸附动力学曲线

当初始染料质量浓度为60 mg/L、初始溶液pH为7时，聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂对染料吸附的动力学曲线见图6。

图6 复合吸附剂对染料吸附的动力学曲线

由图6可见：同一温度下，复合吸附剂对阳离子金黄染料的吸附量随着时间的延长而增加；当反应时间为0～5 min时吸附量快速增加，反应10 min后就基本达到了吸附平衡。这是由于复合吸附剂表面呈现的高密度负电，使其对阳离子金黄染料具有很强的吸附能力，因此初始吸附速率很快。但当吸附量增加到一定程度后，聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂表面已吸附的阳离子与溶液中阳离子之间形成了同性排斥效应，致使吸附速率增速趋缓。常温常压和中性环境下，聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂对染料在很短的时间内就能达到很好的吸附效果。2.5.2 反应级数的确定

为了研究聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂对阳离子金黄染料的吸附动力学行为，就必须对吸附曲线进行动力学模型拟合。一级动力学仅适用于吸附的初始阶段［10］，因此采用二级动力学模型［11］研究聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂对阳离子金黄染料的吸附行为。二级动力学模型见式（1）。

式中：qe和qt分别为平衡吸附量和t时刻吸附量，mg/g；t为反应时间，m in；k2为二级动力学速率常数，g/（mg·m in）。

二级动力学对吸附动力学曲线的拟合结果见表1。由表1可见，由二级动力学模型计算出的平衡吸附量（qec，mg/g）和实验平衡吸附量qe非常接近，其相关系数大于0.999，因此二级动力学模型可以很好地描述聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂对染料的吸附行为。

表1 吸附动力学参数

Arrhenius公式的对数形式见式（2）。

式中：Ea为活化能，k J/m o l；R为热力学气体常数，8.314 J/（mol·K）；T为反应温度，K；A为常数，g/（mg·m in）。以二级吸附动力学的ln k2对1/T作图，可求得吸附过程的活化能Ea为2.617 kJ/mol，据此可以推测该吸附过程属于物理吸附。

3 结论

a）采用简单水溶液聚合法合成了聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂，并用于阳离子金黄染料吸附。实验结果表明：当硅溶胶质量分数为20%、初始染料质量浓度为60 mg/L、初始溶液pH为7、反应温度为298 K时，聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂对染料的吸附量为64.64 mg/g。

b）常温常压和中性环境下，聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂对染料在很短的时间内就能达到很好的吸附效果。

c）聚丙烯酸钠-硅溶胶复合吸附剂对阳离子金黄的吸附符合二级动力学模型，属于物理吸附，低温有利于吸附。

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Synthesis of Sodium Polyacrylate-Silicasol and Its Adsorption of Cationic Golden Yellow

Yang Xiuju，Pu Yunping，Ni Liang

（School of Chemistry and Chemical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China）

The sodium polyacrylate-silicasol composite adsorbent was successfully synthesized by aqueous solution polymerization method and determined by SEM and TGA. The factors affecting the adsorption of cationic gold yellow dye on the adsorbent were studied. When the mass fraction of silicasol is 20 %，the initial mass concentration of dye is 60 mg/L，the solution pH is 7 and the reaction temperature is 298 K，the adsorption capacity of the adsorbent for cationic gold yellow is 64.64 mg/g. According to the second order adsorption kinetics model，the activation energy is 2.617 kJ/mol. It indicates that the adsorption of cationic gold yellow on the adsorbent belongs to physical adsorption and lower temperature is favorable to it.

sodium polyacrylate；silicasol；cationic gold yellow；adsorption；wastewater treatment

X788

A

1006 - 1878（2012）02 - 0185 - 04

2011 - 11 - 01；

2011 - 12 - 06。

杨秀菊（1987—），女，山东省临沂市人，硕士生，主要研究方向为环境化学。电话 15252909075，电邮 juerz@126.com。

（编辑 张艳霞）