累托石负载聚吡咯制备及其对硝酸根的吸附

马骁飞， 吕苗苗， 唐向阳

(天津大学 a.理学院 化学系； b.化学化工国家级实验教学示范中心,天津 300072)

累托石负载聚吡咯制备及其对硝酸根的吸附

马骁飞a,b， 吕苗苗a， 唐向阳a,b

(天津大学 a.理学院 化学系； b.化学化工国家级实验教学示范中心,天津 300072)

累托石； 聚吡咯； 硝酸根； 吸附

0 引 言

在我国，农业中硝酸盐的使用已成为水污染的最主要来源。氮肥的过度使用导致富营养化，刺激了海藻和水中植物的过度生长，从而引发多种人类疾病，例如：蓝婴综合征、婴儿高铁血红蛋白症和癌症等[1]。目前，已经报道的用于去除阴离子污染物的方法有离子交换法、反渗透法、吸附法、催化法和生物法[2-5]。其中，吸附法由于具有高去除率、设备简单、可靠性好等优点而受到广泛关注。许多天然材料或改性天然材料可以作为去除水中硝酸根的良好吸附剂，如竹炭[6]和Fe3O4/ZrO2/壳聚糖复合物[7]等。

累托石(REC)是一种天然的间层黏土矿物，由高热稳定性的类云母层和可膨胀的类蒙脱土层以1∶1规则交替堆积而成[8]。由于类蒙脱土层很容易被插层，并且层间的Na+可以与无机或有机阳离子发生离子交换，因此，REC对阳离子金属和染料具有很好的吸附效果。然而，REC对于阴离子污染物的吸附效果很差，例如：硝酸根、磷酸根、硫酸根和重铬酸根等。因此，需要对REC进行改性以去除水中硝酸根污染物。REC吸附剂的另外一个缺点是吸附结束后很难从水中分离。聚吡咯(PPy)[9]是一种对于阴离子吸附效果很好的高分子材料，由吡咯单体在累托石表面发生氧化聚合而形成。PPy分子中的季铵阳离子与对阴离子形成静电引力，提高对硝酸根阴离子的吸附；将它负载在REC上，还使PPy的比表面积变大，不再悬浮于水面，更易回收。

1 材料与方法

1.1 试剂与材料

试剂：吡咯、硫酸亚铁、三氯化铁等(天津市江天技术有限公司)。

材料：钠基累托石(湖北名流累托石科技有限公司)。

1.2 实验仪器

ALPHA红外光谱仪(德国布鲁克公司)；D/MAX-2500 X射线衍射仪(日本理学公司)；S-4800场发射扫描电子显微镜(日本日立公司)；JEM-2100F型透射电子显微镜(日本电子公司)；LDJ-9600震动样品磁强机(美国LDJ电子公司)；UV-1800紫外可见分光光度计(上海美普达仪器有限公司)。

1.3 实验过程

(1) 磁性累托石(REC-Fe3O4)的制备。在200 mL蒸馏水中加入0.50 g REC，继续加入1.17 g FeCl3·6H2O和0.60 g FeSO4·7H2O使之溶解。水浴加热至60 ℃，在N2保护和机械搅拌下滴入20 mL 8 mol/L的氨水。在70 ℃下加热4 h，冷却至室温后，用磁铁将产物分离，用蒸馏水洗3或4次，干燥，得到的吸附剂命名为REC-Fe3O4。

(2) 累托石负载聚吡咯的制备。REC与吡咯的质量比分别为：0.5、0.75和1.2，研究发现，质量比为0.75时吸附效果最佳。将0.75 g REC(或REC-Fe3O4)加100 mL蒸馏水，机械搅拌下加7.5 g三氯化铁，然后加入1 mL吡咯，在30 ℃下反应3 h。用水和丙酮分别各洗3次并离心，干燥，得到的吸附剂分别命名为REC-PPy和REC-Fe3O4-PPy。REC-Fe3O4-PPy的饱和磁化强度为6.56 A·m2/kg，表现出较好的的顺磁性。

2 结果与讨论

2.1 X射线衍射

由图1可见，REC在2θ=4.08°和2θ=8.08°处有2个较强的衍射峰(001)和(002)。根据布拉格方程2dsinθ=λ，计算可得REC的这2个衍射峰的晶面间距d001和d002分别为2.16 nm和1.09 nm。在REC-PPy中，REC的(001)衍射峰强度明显降低，且移动到2θ=3.16°，即d001扩大为2.79 nm；而(002)的衍射峰基本消失，这表明PPy附着在REC的表面破坏了REC的有序结构，使得REC片层有不同程度的扩层或剥离[11]。引入Fe3O4后，REC的衍射峰强度进一步被削弱，表明在REC-Fe3O4-PPy中，REC被扩层或剥离的程度加强。

图1 REC，REC-PPy和REC-Fe3O4-PPy的X射线衍射图

2.2 形貌表征

图2(a)是REC扫描电镜图，可观察到REC平滑的表面和片层结构。在磁性四氧化三铁引入后(见图2(b))，可以明显看到直径约20～50 nm的Fe3O4微粒附着在REC片层结构上。图2(c)是REC-Fe3O4-PPy的扫描电镜图，REC表面被聚合物PPy所覆盖。

图2 REC(a)，REC-Fe3O4(b)和REC-Fe3O4-PPy(c)的表面形貌

2.3 对硝酸根的吸附

(1)

表吸附的动力学和等温常数

(2)

图6 REC，REC-PPy和REC-Fe3O4-PPy对的吸附等温线

3 结 语

该REC-Fe3O4-PPy的制备和表征以及硝酸根吸附实验很适合修改为8～12学时的本科生综合实验，该实验涵盖了无机化学(Fe3O4制备)、高分子化学(聚吡咯的制备)、仪器分析和表征(分光光度计法检测硝酸根含量以及XRD、TEM和SEM仪器使用)，物理化学(吸附动力学和Langmuir等温模型)等知识，又结合了解决水体富营养化的实际应用。

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The Preparation of Polypyrrole-loaded Rectorite and the Adsorption for Nitrate

MAXiaofeia,b，LÜMiaomiaoa，TANGXiangyanga,b

(a. Chemistry Department, School of Science; b. National Experimental Teaching Demonstration Center of Chemistry and Chemical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

rectorite; polypyrrole(PPy); nitrate; adsorption

2016-08-20

马骁飞(1975-)，男,辽宁沈阳人,博士，副教授，从事高分子/无机纳米复合材料研究。

Tel.: 022-27403475; E-mail: maxiaofei@tju.edu.cn

唐向阳(1965-)，男，河南郑州人,博士，教授,从事高分子/无机纳米复合材料研究。

Tel.: 022-27403475; E-mail: txy@tju.edu.cn

TQ 340.9；O 636.9

A

1006-7167(2017)06-0028-04