硅酸镁/PVP复合膜的制备及对染色剂吸附性能的研究

张曼

摘 要：硅酸镁作为一种吸附剂，具有较好的吸附效果，与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）充分混合，从而得到一种新的吸附效果更好的硅酸镁/PVP复合膜.通过傅里叶红外表征和对2种生物染色剂的吸附实验研究表明：25℃时，硅酸镁/PVP复合膜对亚甲基蓝的脱除率最高，吸附效果最好;15℃时，硅酸镁/PVP复合膜对结晶紫的脱除率较高，实用性强;吸附剂用量在0.0200g（废水量25mL）时，吸附效果最佳;吸附时间选择40min.

关键词：硅酸镁;聚乙烯吡咯烷酮;吸附;亚甲基蓝等生物染色剂

中图分类号：O6-3  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2020）06-0027-06

1 前言

近些年来，随着科技的发展，工业的进步，我们的生活环境保护问题也变得越来越严峻，其中废水的污染就是一个十分重要的因素，面对废水处理问题和资源的循环利用，对于污水的处理方法目前有两种：物化法和生化法[1，2]，由于物化法是当下对污水进行吸附，效果最好的一种方法，而且不易产生新的污染，具有耗能低、易操作、节约成本等特点[3].因此，我们将采用硅酸镁为吸附剂，它是一种灰白色的粉末，呈多孔结构[4]，目前主要用于医学制药，可以中和胃酸和治疗溃疡面;建筑上可用于墙体的内外保温材料;工业上多用作吸附剂使用.

亚甲基蓝和结晶紫都属于生物染色剂.其中，亚甲基蓝外观呈暗绿色晶体，是一种水溶性偶氮染料，常温下化学性质稳定，可溶于水和乙醇，不溶于醚，水溶液呈碱性[5-7].目前多用于生物染色剂、化学指示剂、染料等方面，从而也成为很难处理的一种染料废水[8].

结晶紫，又称为龙胆紫、甲紫，是一种十分普遍用的染色剂，随着社会的发展，人类的需要，导致我国的印染行业不断增多，从而就引发了废水污染[9].对于结晶紫的吸附，已知的方法是用膨润土对其吸附，还有利用静态吸附法使用赤泥对结晶紫进行吸附，以及利用复合高铁酸盐进行吸附.发现最高的脱色率可达到95%以上，效果非常好[10].本次实验研究一种新的复合材料硅酸镁/PVP复合膜对其吸附效果，探究温度、时间、pH值等因素的影响.

本次实验所涉及的聚乙烯吡咯烷酮是一种高分子化合物，而且目前应用非常广泛，已发展有阳离子、阴离子、非离子三大类，医药、食品、工业三个方面.是白色粉末状或颗粒状，有胶体保护作用润湿性、粘结性、成膜性.

2 实验材料

2.1 实验仪器

2.2 实验仪器

3 实验方法

3.1 硅酸镁复合膜的制备

3.1.1 0.5mol/L硅酸钠溶液和0.5mol/L氯化镁溶液的配制

在分析天平上称取硅酸钠固体14.2095g溶于盛有40mL蒸馏水的100mL小烧杯中，不断搅拌至全溶，可适当加热不超过40℃，全溶后转移至100mL容量瓶，加水定容至刻度线，即得到0.5mol/L的硅酸钠溶液.同理，称取10.1605g氯化镁固体溶于盛有40mL蒸馏水的小烧杯中，搅拌，转移至100mL容量瓶定容，得到0.5mol/L的氯化镁溶液备用.

3.1.2 硅酸镁的制備

用移液管分别移取20mL硅酸钠溶液和氯化镁溶液，1：1等量混合于100mL小烧杯中，置于磁力搅拌器恒温60℃搅拌40min，烧杯中迅速出现白色胶状沉淀，继续搅拌沉淀不断增多，待沉淀出现不明显时，加入几滴氨水继续搅拌沉淀增多，待沉淀出现不明显时，反复上述操作直至沉淀不增多为止，利用抽滤泵滤出沉淀，用蒸馏水反复洗涤三次.将洗涤后的沉淀置于鼓风干燥箱恒温60℃，干燥3h后，取出待用.

3.1.3 硅酸镁的检验

在分析天平上称取硅酸镁固体0.0022g和0.2012g置于研钵中研细，药匙取少量混合粉末利用压片机压成薄片，压力控制在10MPa，不得超过10MPa压制两分钟.将薄片放入红外光谱仪中绘制出红外光谱图.

3.1.4 合成硅酸镁复合膜

用分析天平准确称取一定质量的硅酸镁固体放入坩埚中，置于马弗炉中，恒温450℃条件下焙烧4小时.称取与硅酸镁固体质量为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，然后将备用的硅酸镁固体与溶液进行混合，在磁力搅拌器中恒温70℃搅拌24h，过滤上层液体，取得固体在干燥箱中恒温60℃干燥3h.之后，利用挤压机压制成型.

3.1.5 硅酸镁复合膜的检验

在分析天平上称取硅酸镁复合膜固体0.0020g和0.2005g置于研钵中研细，药匙取少量混合粉末利用压片机压成薄片，压力控制在10MPa，不得超过10MPa压制两分钟.将薄片放入红外光谱仪中绘制出红外光谱图.

3.2 吸附实验

3.2.1 生物染色剂的配制

用分析天平称取0.2500g的亚甲基蓝固体溶于盛有50mL蒸馏水的100mL小烧杯中，充分搅拌直至固体完全溶解，玻璃棒转移至250mL容量瓶中，配制浓度为1g/L的生物染色剂，在测量吸光度时浓度过高，因此进行稀释.利用5mL吸量管移取上述1g/L的亚甲基蓝溶液5mL，玻璃棒转移至100mL容量瓶中定容，相当于稀释20倍，所得溶液的浓度为50mg/L，同上述操作配制浓度为1g/L的结晶紫生物染色剂，同样由于吸光度过高进行稀释.利用5mL吸量管移取上述1g/L的结晶紫溶液2mL，玻璃棒转移至100mL容量瓶中定容，相当于稀释50倍，所得的溶液浓度为20mg/L.

3.2.2 硅酸镁和硅酸镁复合膜吸附对比实验

用分析天平称取0.0100g的硅酸镁固体和0.0100g的硅酸镁复合膜固体备用，用20mL移液管分两次移取20mL稀释后的亚甲基蓝溶液，置于两个100mL小烧杯中，将刚称量好的两份固体药品倒入两个烧杯中，加入磁子在磁力搅拌器中恒温25℃搅拌5h，之后取出上层清液，利用紫外-可见分光光度计测量两组溶液的吸光度.

3.2.3 显微镜观察硅酸镁复合膜的吸附效果

取少量硅酸镁复合膜到载玻片中在显微镜下观察，调整焦距，使镜中画面达到最佳清晰的程度，将已经进行吸附后的硅酸镁复合膜进行上述操作，调整好画面，拍下照片进行对比分析.

3.3 硅酸镁复合膜吸附性能的探究

3.3.1 温度对硅酸镁复合膜吸附性能的影响

准备好六个干燥的100mL小烧杯，利用20mL移液管向烧杯中分别加入20mL已经配制的亚甲基蓝的稀释溶液.用分析天平准确称取六份质量0.0100g的硅酸镁复合膜，分别加入小烧杯中，利用控制变量法控制每个烧杯中磁子的转速，设置1～6号烧杯中的温度分别为15℃、25℃、35℃、45℃、55℃、65℃在磁力搅拌器中同时搅拌4小时，注意温度上升会使水蒸发出来，需要盖住保鲜膜进行加热，之后取出上层清液利用紫外-可见分光光度计测量六组溶液的吸光度，绘制曲线.同理，再测量结晶紫的稀溶液时重复上述操作利用紫外-可见分光光度计测量六组溶液的吸光度绘制曲线，其中两种生物染色剂的脱除率用公式（1）（2）（3）表示：

η=（C0-C1）/C0×100%，  （1）

A=a·b·c，  （2）

则

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

公式中：η（%）为生物染色剂脱除率;C0（g/L）为生物染色剂初始浓度;C1（g/L）为吸附后生物染色剂的浓度;A0为生物染色剂初始浓度下的吸光度;A1为吸附后生物染色剂浓度的吸光度;a（L/（g·cm））为吸光系数，b（cm）为光在样本中经过的距离，c（g/L）为溶液浓度.

3.3.2 吸附时间对硅酸镁复合膜吸附性能的影响

准备好六个干燥的100mL小烧杯，利用20mL移液管向烧杯中分别加入20mL已经配制的亚甲基蓝的稀溶液.用分析天平准确称取六份质量为0.0100g的硅酸镁复合膜，分别加入到小烧杯中，利用控制变量法控制每个烧杯中磁子的转速，恒温25℃不断搅拌，分别测量1～6号小烧杯在36h、48h、60h、72h、84h、96h时刻上层清夜的吸光度绘制曲线，如图5.同理，再测量结晶紫的稀溶液时重复上述操作利用紫外-可见分光光度计测量六组溶液的吸光度绘制曲线.

3.3.3 pH值对硅酸镁复合膜吸附性能的影响

准备好六个干燥的100mL小烧杯，利用20mL移液管向烧杯中分别加入20ml已经配制的亚甲基蓝的稀释溶液.用分析天平准确称取六份质量0.0100g的硅酸镁复合膜，分别加入小烧杯中，利用控制变量法控制每个烧杯中磁子的转速，恒温25℃不断搅拌，分别测量1～6号小烧杯在pH=2、pH=4、pH=6、pH=8、pH=10、pH=12时刻上层清夜的吸光度绘制曲线.同理，再测量结晶紫的稀溶液时，重复上述操作利用紫外-可见分光光度计测量六组溶液的吸光度绘制曲线.

3.3.4 吸附剂量对生物染色剂吸附效果的影响

准备好六个干燥的100mL小烧杯，利用20mL移液管向烧杯中分别加入20mL已经配制的亚甲基蓝的稀释溶液.用分析天平准确称取六份质量0.0100g、0.0150、0.0200g、0.0250g、0.0300g、0.0350g、0.0400g、的硅酸镁复合膜，分别加入小烧杯中，利用控制变量法控制每个烧杯中磁子的转速，恒温25℃不断搅拌，分别测量1～6号小烧杯上层清夜的吸光度绘制曲线.同理，再测量结晶紫的稀溶液时重复上述操作利用紫外-可见分光光度计测量六组溶液的吸光度绘制曲线.

4 结果分析与讨论

4.1 硅酸镁和硅酸镁复合膜红外谱图分析

图1和图2是硅酸镁颗粒和硅酸镁复合膜的红外光谱图.通过上图可知两种谱图峰形状十分相似，在1030cm-1、750～600cm-1出现的强吸收峰是硅酸镁中的Si—O—Si键的伸缩振动引起的，以及3450cm-1、1750cm-1是水的特征峰，但在1450cm-1出现了由聚乙烯吡咯烷酮造成的强吸收峰，通过分析可以看出，聚乙烯吡咯烷酮成功的嵌入了硅酸镁颗粒的表面，并且硅酸镁的结构没有受到很大的影响.

硅酸镁自身的結构就是表面凹凸不平且多孔的白色固体，但聚乙烯吡咯烷酮是一种粘结剂、成膜剂、具有很好的成膜效果，可以有效地与硅酸镁相互吸附，实验初期由1：1的配比来进行硅酸镁和聚乙烯吡咯烷酮，所得到的复合膜吸附效果很不理想，它的吸附效果是比硅酸镁自身的吸附效果差得很多，分析过后认为是表面活性剂的添加配比过高，所以要适当地减小比例，由2：1到3：1到5：1不断地进行试验测定最后确定了合适的成膜配比，得到具体的成膜比例后继续进行探究实验，因此，得到结论不是由于比例问题使活性剂的比例过高，对硅酸镁形成包裹，从而影响到硅酸镁复合膜的吸附效果.

4.2 吸附实验分析

通过表3，已知配制浓度的亚甲基蓝吸光度为1.629，已知配制浓度的结晶紫吸光度为1.399，通过硅酸镁和硅酸镁复合膜吸附对比实验，在同一组生物染色剂下，由硅酸镁吸附和硅酸镁复合膜吸附，都使该生物染色剂的吸光度大幅下降，而硅酸镁复合膜相对硅酸镁对该两种生物染色剂的吸附效果更好.

由于复合膜中的聚乙烯吡咯烷酮它是一个很好的抗污垢再沉淀物质，有非常强的洗净能力，与很多有机染料都有很好的亲和效果，再结合它的成膜性、粘结性可以很好地附着在硅酸镁的表面，大大提高了硅酸镁原本的吸附效果和染色剂的脱除率.

通过实验，可以观察到未吸附的硅酸镁复合膜由于合成、洗涤、干燥、焙烧，所得到的晶型是不规则的，颗粒度大小是比较随机的，颜色呈白色比较干净，未观察到杂质.吸附亚甲基蓝和结晶紫后的硅酸镁复合膜相比未吸附的硅酸镁复合膜，表面附着着很多有色物质，并且透明度变不大.

通过结果的呈现与分析，从形状、颜色、透明度、可以证明配制出的硅酸镁复合膜的吸附效果是很理想的.

4.3 温度对硅酸镁复合膜吸附性能的分析

通过图3所示，横坐标为硅酸镁复合膜吸附亚甲基蓝的不同温度条件，纵坐标为不同温度条件下硅酸镁进行吸附的脱除率，可以看到在15～25℃之间呈现脱除率上升趋势，25℃到达最高点，温度继续升高呈现脱除率下降，结果得到25℃下硅酸镁复合膜对亚甲基蓝的脱除率最高，25℃温度将该复合应用到工业当中效果比较理想，操作条件合理，成本低，实用性强.

发生上述的情况可能是由于复合膜自身在25℃下的结构最稳定，表面的吸附孔径最大，另一种可能是亚甲基蓝溶液的溶解度比较小，对于液体的吸附，溶质在溶剂中的溶解度愈小，其平衡吸附量将愈大，当然吸附效果就最好.

通过图4所示，横坐标为硅酸镁复合膜吸附结晶紫的不同温度条件，纵坐标为不同温度条件下硅酸镁进行吸附的脱除率，可以看到在15～30℃之间呈现脱除率下降趋势，55℃后随着温度的升高曲线接近平稳的趋势，30℃温度附近硅酸镁复合膜对结晶紫的脱除率最低，综合上述，将复合膜对结晶紫的吸附这一应用使用到工业当中时，考虑到成本与实际操作，将温度控制到15℃比较合理.

发生上述的情况可能是由于结晶紫在30℃下的溶解度最大，表面的吸附孔径最大，但对于溶解度过高的结晶紫其吸附效果还是不理想，随着溶解度的减小使吸附效果增强，对于液体的吸附，溶质在溶剂中的溶解度愈小，其平衡吸附量将愈大，当然吸附效果就最好.

4.4 吸附时间对硅酸镁复合膜吸附性能的分析

图5可以看出硅酸镁复合膜对亚甲基蓝溶液的脱除率随着吸附时间的增加逐渐增高，但随着后期的时间增加脱除率的变化量是不断减小的，但不会影响脱除率的增加，吸附效果的增加.

随着时间的增加，溶液的浓度逐渐降低，则吸附剂对染色剂分子的吸附概率减小，吸附效果变差，另一个原因就是硅酸镁复合膜的表面孔径随着附着的染色剂分子越来越多，孔数量变少，吸附效果变差脱除率的变化量变小.

从图6可以看出，硅酸镁复合膜对结晶紫溶液的脱除率随着吸附时间的增加逐渐增高，但随着后期的时间增加脱除率的变化量是不断减小的，但不会影响脱除率的增加，吸附效果的增加.

随着时间的增加，溶液的浓度逐渐降低，则吸附剂对染色剂分子的吸附概率减小，吸附效果变差，另一个原因就是硅酸镁复合膜的表面孔径随着附着的染色剂分子越来越多，孔数量变少，吸附效果变差脱除率的变化量变小.

4.5 pH值对硅酸镁复合膜吸附性能的分析

在操作pH值对硅酸镁复合吸附影响的时候，加入5mol/L的稀硫酸调节pH值时使紫色的结晶紫变为蓝色，所以对调制后的结晶紫溶液进行了紫外波长的测定，测得变色后的结晶紫溶液的最大波长变为624nm，与结晶紫的正常最大吸收波长582nm不相符.

使结晶紫溶液的最大吸收波长改变的原因，有可能是结晶紫本身是一种高分子的有机物，其内部结构含有很多的共轭键，影响着化合物的最大吸收波长，如果最大吸收波长发生改变，很有可能是内部结构已经发生改变，该化合物已经不是结晶紫，所以该影响因素并不适合对硅酸镁复合膜的吸附效果再进行讨论，所以不再继续进行该影响实验.

4.6 吸附量对硅酸镁复合膜吸附性能的分析

通过图7，随着吸附剂加入量增多，亚甲基蓝溶液吸光度逐渐降低，在0.0100～0.0200g之间吸光度呈现大幅度上升，表明在该吸附剂量之间对亚甲基蓝的脱除率变化最大，在0.0200g后随着吸附剂量的增多吸光度仍然呈现上升，但幅度不大表明脱除率的变化量变小，即斜率变小.

上述分析可以看出吸附剂量不大的时候吸附效果最好，随着吸附剂量的增多吸光度仍然下降，但是效果不如之前，可能由于亚甲基蓝溶液的浓度到后期下降到比较低，影响吸附效果，因此，对其他影响因素的实验考虑到保证吸附效果和节约药品，将吸附剂量控制为0.0200g.

图8所示，随着吸附剂加入量增大，结晶紫溶液吸光度逐渐降低，在0.0150～0.0200g之间吸光度呈现大幅度上升，表明该吸附剂量之间对结晶紫的脱除率变化量最大，在0.0200g后随着吸附剂量的增大吸光度仍然呈现上升，但幅度不大表明脱除率的变化量变小，即斜率变小.

上述分析可以看出吸附剂量不大的时候吸附效果最好，随着吸附剂量的增多吸光度仍然下降，但是效果不如之前，可能由于结晶紫溶液的浓度到后期下降到比较低，影响吸附效果，因此对其他影响因素的实验考虑到保证吸附效果和节约药品，将吸附剂量控制为0.0200g.

5 结论

硅酸镁作为一种重要的吸附材料，实验对硅酸镁的合成进行了新的探究，结合了表面活性剂（PVP）根据不断地尝试比例、时间、温度，最后成功的合成了具有良好吸附效果的硅酸镁/PVP复合膜，并且对其各方面性能进行了更深入的研究.根据红外光谱图和显微镜下的三种实例图总结出硅酸镁复合膜具有更良好的红外吸收峰和表面孔径;研究温度、吸附剂用量、吸附时间对吸附效果的影响：25℃时，硅酸镁/PVP复合膜对亚甲基蓝的脱除率最高，吸附效果最好;15℃时，硅酸鎂/PVP复合膜对结晶紫的脱除率较高，实用性强;吸附剂用量在0.0200g（废水量25mL）时，吸附效果最佳;吸附时间选择40min.

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