聚苯胺的合成及其對六價鉻吸附實驗研究

陳 誠，李 曦，劉 信，胡善洲，焦龍華，董玉林，劉 鵬，李全華

（武漢理工大學 理學院化學系，湖北 武漢 430070）

聚苯胺是應用廣泛的結構性導電高分子材料之一，其結構多樣，合成方法簡單，原料易得，有良好的穩定性［1－2］，在防腐涂料、抗靜電和電磁屏蔽材料、超級電容器電極材料、傳感器等領域已獲得大量的應用［3－7］。

聚苯胺分子中含大量的胺基和亞胺基功能基團，對重金屬離子具有良好的絡合作用［8－9］；同時這些胺基和亞胺基還具有還原性，可與氧化電位較高的重金屬離子發生氧化還原反應；聚苯胺對部分重金屬離子（如Pb2＋、Hg2＋）有離子交換功能且具有很好的耐溶劑性能，使得聚苯胺能夠廣泛適用于各種復雜的吸附環境［10－11］。

采用化學氧化聚合法合成聚苯胺，并通過氧化還原滴定法研究其對Cr（VI）的吸附性能，使學生既可以初步了解有機高分子的合成，又可以鞏固大學分析化學中的定量分析方法，并加強了學生對物理化學中表面吸附理論的理解；同時，該實驗包含減壓蒸餾、滴定、過篩等重要化學基本操作，是一個適用于培養學生獨立自主思考能力、強化學生基本實驗操作的綜合性實驗。

1 儀器與試劑

儀器：Lambda35紫外／可見光分光光度計（美國PerkinElmer儀器有限公司）；GZX－9140MBE數顯鼓風干燥箱（上海博迅實業有限公司醫療設備廠）；SHZD（Ⅲ）型循環水真空泵（河南省予華儀器有限公司）；SHZ－82恒溫振蕩器（常州國華電器有限公司），標準檢驗篩（浙江上虞市五四紗篩廠）；減壓蒸餾裝置，移液管，恒壓滴液漏斗，滴定裝置，圓底燒瓶等。

試劑：苯胺（AR）；過硫酸銨（AR）；重鉻酸鉀（AR）；硫酸亞鐵銨（AR）；濃鹽酸；濃硫酸；磷酸；N－苯基代鄰氨基苯甲酸指示劑；實驗用水均為去離子水。

2 實驗

2.1 聚苯胺的合成

將0.05mol新鮮減壓蒸餾的苯胺加入到250mL的圓底燒瓶，并加入100mL、1mol／L的鹽酸溶液，攪拌混勻，再用恒壓滴液漏斗向其中慢慢滴加75mL、1mol／L的過硫酸銨和50mL、2mol／L的鹽酸混合液，室溫反應2h，抽濾，水洗3次；將產品于50℃干燥24h，得到墨綠色的聚苯胺粉末。樣品采用紫外可見光譜進行表征，取少量所得聚苯胺溶于N，N－二甲基甲酰胺溶劑，在300～800nm波長范圍內測其吸收。

2.2 聚苯胺對六價鉻的吸附實驗

將干燥好的聚苯胺研磨，過篩得所需粒徑的聚苯胺備用。稱取一定量的重鉻酸鉀，用去離子水溶解配成相應質量濃度的Cr（VI）溶液；移取100mL一定質量濃度的Cr（VI）溶液至錐形瓶中，再放入一定質量、一定粒徑的聚苯胺，將錐形瓶放入恒溫振蕩箱中，20℃下恒溫振蕩一定時間后過濾。根據國標GB／T 15555.7—1995采用氧化還原滴定法測定濾液中剩余Cr（VI）的質量濃度。吸附量按下式進行計算：

其中，qt為t時間聚苯胺對Cr（VI）的吸附量（mg／g）；m0和mt分別為Cr（VI）的初始質量濃度和經吸附t時間后剩余質量濃度（mg／L）；V 為溶液體積（L）；m 為聚苯胺的質量（g）。

當吸附達平衡時，聚苯胺對Cr（VI）的吸附量即為平衡吸附量qe。

3 結果與討論

3.1 聚苯胺的表征

制備的聚苯胺紫外光譜如圖1所示，在328、627 nm處出現吸收峰，這是聚苯胺的翠綠亞胺鹽形式的特征吸收峰。

圖1 聚苯胺的紫外可見光光譜

3.2 聚苯胺對Cr（VI）吸附性能的研究

3.2.1 吸附劑粒徑對吸附的影響

向5個250mL的錐形瓶中加入100mL、400 mg／L的 Cr（VI）溶液，分別加入0.2g不同粒徑（0.074～0.097mm、0.097～0.125mm、0.125～0.2 mm、0.2～0.3mm、0.3～0.45mm）的聚苯胺，20 ℃下恒溫振蕩120min后，測定濾液中剩余Cr（VI）濃度并計算吸附量，結果如圖2所示。從圖2可以看出，隨著聚苯胺粒徑增大，吸附量逐漸減小。這是因為聚苯胺粒徑越大，其總表面積越小，在吸附過程中吸附劑與六價鉻的接觸面積越小，所以吸附量減小。

圖2 粒徑對Cr（VI）吸附的影響

3.2.2 吸附劑的加入量對吸附量的影響

吸附劑的加入量對吸附量的影響如圖3所示（聚苯胺粒徑為0.125～0.2mm，其他條件與3.2.1節相同。從圖3可以看出，隨著聚苯胺加入量的增加，吸附量逐漸減小，實驗結果與吸附量計算公式的結果一致。

3.2.3 吸附時間對吸附的影響

吸附時間對吸附量的影響如圖4所示（聚苯胺粒徑為0.125～0.2mm，其他條件與3.2.1節相同。圖4表明，吸附量隨著吸附時間的增加而增大，大約2h時達到飽和。采用動力學模型H0YS方程和Lagergren方程進行模擬，求出各模型參數和相關系數，結果見表1。由表1數據可知，二級動力學H0YS的相關系數R，R2＝0.999，相對于Lagergren模型，該模型計算出的qe與實驗值比較接近。因此，我們認為聚苯胺對六價鉻的吸附符合H0YS二級動力學模型。

圖3 吸附劑的加入量對Cr（VI）吸附的影響

圖4 時間對Cr（VI）吸附的影響

表1 吸附動力學模型擬合參數和相關系數

3.2.4 Cr（VI）離子初始濃度對吸附的影響

Cr（VI）離子初始質量濃度對吸附量的影響如圖5所示，（聚苯胺粒徑為0.125～0.2mm，其他條件與3.2.1相同）。從圖5可以看出，隨著初始鉻質量濃度的增大平衡吸附量增大，初始鉻質量濃度較低時平衡吸附量的增大趨勢明顯，隨著質量濃度變高，增大趨勢趨于平緩。采用等溫吸附模型Freundlich方程、Langmuir方程和Temkin方程進行模擬，求出各模型參數和相關系數，結果見表2。由表2數據可知，聚苯胺對六價鉻的吸附比較符合Langmuir等溫吸附模型，其相關系數最大。由該模型計算出的最大吸附量為150.38 mg／g。實驗環境等因素對最大吸附量有影響，學生可通過改變吸附條件，以測得不同條件下聚苯胺對六價鉻的最大吸附能力。另外，由于本文采用測量鉻濃度方法的局限性，故初始鉻的質量濃度比較大，如若采用分光光度法［12］、ICP等方法測定鉻含量，可適當降低初始鉻濃度。

圖5 質量濃度對Cr（VI）吸附的影響

表2 等溫吸附模型參數和相關系數

4 結論

（1）qt隨吸附時間的增加而增大，2h后達到平衡；qe與鉻的初始濃度和聚苯胺的粒徑有關；聚苯胺對六價鉻的吸附符合H0YS二級動力學模型和Lang－muir等溫吸附模型，計算得單分子層最大吸附量為150.38mg／g。

（2）該綜合實驗涉及基本操作較多，如減壓蒸餾、抽濾、過篩、滴定等，對于鞏固學生的基礎化學操作及基本理論有很大的幫助。

（3）實驗方案可由學生自行查文獻擬定，確定初始鉻含量與吸附劑的比例、聚苯胺的粒徑、吸附環境等條件，同時在利用氧化還原滴定法測定六價鉻濃度時，也要求學生自行根據相應的滴定情況確定加入的濾液量，大大拓展了學生自主思考的空間。

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