PVP功能化蒙脱石吸附红色染料性能研究
2020-10-10黄云凤朱永甫叶娇琴兰丽玲吴伟端
黄云凤，朱永甫，叶娇琴，兰丽玲，吴伟端
（闽南理工学院土木工程学院，福建 泉州 362700）
我国纺织印染工业产生的染料废水排量很大。染料废水具有色度较大、难脱色、水变动较大等特点，富含的偶氮染料更具有致癌作用，严重污染水体。蒙脱石是一种天然的吸附材料，蒙脱石结构属2∶1型，层间具有水分子和可交换阳离子的二八面体型铝硅酸盐矿物［1］。通过功能试剂插层、硅烷嫁接等方法改性可制得多种功能材料，可广泛用于工业污水的净化、脱色、降低环境污染，尤其是改善由重金属及有机物引起的污染效果更为明显，是目前研制改性蒙脱石成为在环境污染修复领域一个研究热点［2］。以阴离子表面活性剂［3］硬脂酸钠为改性剂，制备了硬脂酸钠改性蒙脱石，结果表明对亚甲基蓝具有较好的吸附效果；以巯基-蒙脱石复合材料［4］研究对重金属镉不同污染水平农田土壤的钝化效果；以蒙脱石为原料［5］、硫酸为改性剂，研究硫酸浓度和固液比对蒙脱石吸附废水中，Cr6+改性后的蒙脱石层间距增大，具有较好的吸附性能。
本文选择以聚乙烯吡咯烷酮 （PVP）作为蒙脱石的改性剂，调配不同的用量，制备多配比的PVP功能化蒙脱石复合材料，研究在不同配比下，PVP功能化蒙脱石复合材料对红色染料的吸附能力及脱色效果与时间的关系。
1 实验部分
1.1 主要实验仪器
小得利77-1磁力搅拌器；
上海恒平752紫外可见分光光度计 （移动波长：500nm，A为吸光度 （Absorbance），A＝abc，其中a为吸光系数，单位L／（g·cm），b为光在样本中经过的距离 （通常为比色皿的厚度），单位cm，ρ为溶液质量浓度，单位g／L，c为浓度，单位mol／L；T为透射比 （Trans）%）；
湖南可成仪器设备有限公司台式低速离心机L2-4K。
1.2 实验材料
1.2.1 聚乙烯吡咯烷酮
分子式：（C6H9NO）n，结构式：
聚乙烯吡咯烷酮是一种非离子型高分子化合物，是N-乙烯基酰胺类聚合物中最具特色，且被研究得最深、最广泛的精细化学品品种。已发展成为非离子、阳离子、阴离子3大类，工业级、医药级、食品级3种规格，相对分子质量从数千至一百万以上的均聚物、共聚物和交联聚合物系列产品，并以其优异独特的性能获得广泛应用。聚乙烯吡咯烷酮呈白色粉末，水溶性聚合物，与染料具有良好的亲和力。
1.2.2 蒙脱石
蒙脱石，又称微晶高岭石分子式：Ex（H2O）4｛（Al2-x，Mgx）2［（Si，Al）4O10］（OH）2｝；E为层间可交换阳离子，主要为Na+、Ca2+，其次为K、Li等。根据层间主要阳离子的种类，可分为钠蒙脱石和钙蒙脱石。
本实验选用钠蒙脱石，灰白色粉末状。
1.2.3 直接大红4BE染料
分子式：C32H22N6NA2O6S2；相对分子质量：696.68。
结构式：二苯基-4，4’-二 ［（偶氮-2-）-1-氨基萘-4-磺酸钠］
直接大红4BE染料呈红色粉末同，溶于水呈黄红色，溶于醇呈橙色，极微溶于丙酮，澄清亮红色溶液，几乎不溶于醚。用途：广泛应用与纸浆，纸板，棉纤维，竹木制品等的染色。
1.3 实验内容
1.3.1 大红染料溶液的制备
将大红染料与蒸馏水按一定比例配制染料溶液的初始质量浓度为：50mg／L。
1.3.2 PVP-蒙脱石纳米复合材料的制备
1）将蒙脱石与蒸馏水按不同质量比配制不同溶度的蒙脱石溶液。
2）取不同体积不同浓度的蒙脱石溶液，分别加入不同比例的PVP，经机械力搅拌作用，制得PVP-蒙脱石纳米复合材料。
1.4 实验步骤
1）分别配制蒙脱石与蒸馏水的质量配比为：20g／L与30g／L的蒙脱石水溶液。
2）分别取浓度为20g／L与30g／L的蒙脱石水溶液，添加PVP，质量浓度为：5g／L。
3）PVP-蒙脱石纳米复合材料试样制备。
分别取20mL质量浓度为20g／L与30g／L的蒙脱石水溶液，搅拌2h后，再添加质量浓度为5g／L的PVP，添加10mL浓度为大红染液溶液，搅拌1h。
4）应用离心机，分别对上述试样进行离心处理，离心时间分别为6、12、18、24、30、36、42、48、54、60min。
2 实验结果
2.1 测试仪器
应用上海恒平752紫外可见分光光度计，分别对上述试样进行测试。移动波长：500nm，A为吸光度 （Absorbance）A＝abc，其中a为吸光系数，单位L／（g·cm），b为光在样本中经过的距离（通常为比色皿的厚度），单位cm，T为透射比%。
2.2 测试步骤
1）首先，掀开外边的保护罩，打开电源开关，仪器进入初始化状态，自动进行检测。初始化完成后，仪器进入主界面，按 “移动波长”键入所需测定的波长数，按 “100%／0A”自动校零。打开样品室盖子，把装有空白和待测样品的比色皿依次放入比色皿样品室里的架子里。依次拉样品架拉杆，直接读数即可。
2）质量浓度为50mg／L的大红染色溶液紫外可见光测试结果显示，透射率为21.3%，吸光系数为0.672，其余测试数据如表1所示。
3）图1是根据表1中透射率实验数据经过三次样条曲线拟合而成，其中数据点为实测数据。其中，T1是3g蒙脱石+100mL染料的透射率；T2是3g蒙脱石+100mL染料+0.06gPVP的透射率；T3是2g蒙脱石+100mL染料的透射率；T4是2g蒙脱石+100mL染料+0.04gPVP的透射率。
图1 表1中透射率实验数据经过三次样条曲线拟合图FIG.1 The experimental data of transmittance are fitted by cubic spline curve in Table 1
表1 紫外可见分光光度计分析结果Tab1 Analysis results of uV-vis spectrophotometer
3 结果分析
1）如表1所示，配比为3g蒙脱石+100mL染料与3g蒙脱石+0.06gPVP+100mL染料试样，在离心6gPVP后，加入PVP透射率明显较高，3g蒙脱石+0.06gPVP+100mL染料最高透过率达到26.2%。3g蒙脱石+100mL染料最高透射率为19.2%，经过约42min，透射率才达到25.45%。
2）同样，表2显示，当取配比为2g蒙脱石+100mL染料与2g蒙脱石+0.04gPVP+100mL染料作对照实验，在6min离心后加入PVP的透过率明显较高，2g蒙脱石+0.04gPVP+100mL染料最高透过率达到23.9%，而2g蒙脱石+100mL染料透过率才达到18.1%，经过离心约36min方才达到24.1%。
3）从透射率实验数据经三次样条曲线拟合后图1可看出，当离心6min和30min后，上述试样透射率为：3g蒙脱石+100mL染料+0.06gPVP＞2g蒙脱石+0.04gPVP+100mL染料 ＞3g蒙脱石+100mL染料＞2g蒙脱石+100mL染料。
也就说，当蒙脱石用两相同时，PVP功能化蒙脱石脱色效果较好；当添加未改性的蒙脱石，随着蒙脱石的用量增大，脱色效果明显增大。
4 结论
成功合成了PVP-功能化蒙脱石符合材料，探索不同PVP用量、不同蒙脱石用量对直接大红脱色效果。研究表明，PVP功能化蒙脱石纳米材料对染料的吸附效果明显高于未添加PVP蒙脱石；PVP功能化蒙脱石纳米材料对染料的吸附经6min离心作用，透射率由21.3%提高到25.4%，而未改性的蒙脱石溶液需要36min离心作用才能到达。
