淀粉接枝聚丙烯酰胺吸附甲基橙的研究

王煦漫,張彩寧

(西安工程大學 紡織與材料學院,陜西 西安 710048)

印染廢水作為有害工業廢水之一,因其廢水量大、COD值高、生物降解困難的特性,對環境的危害很大.近年來,隨著我國紡織印染行業的飛速發展,染料品種和數量的日益增加,印染廢水已經成為水環境的主要污染源.國內現有的處理印染廢水的方法主要包括生化法、化學絮凝法和吸附法[1].其中吸附法雖然應用較廣,但是也存在吸附能力不強和成本高的缺點,因此開發經濟、高效、綠色的吸附劑是目前研究的熱點.淀粉接枝聚丙烯酰胺共聚物作為一種天然材料改性的功能高分子材料,具有低成本、無毒、易生物降解等優點,在高吸水性樹脂、增稠劑和絮凝劑等方面已得到應用[2-3],而在印染廢水處理領域尚未見有報道.本文以淀粉和丙烯酰胺為原料，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑,采用水溶液聚合法制備St-g-PAM凝膠,研究其對染料甲基橙的吸附作用,并對其吸附機理和動力學進行了探討.

1 實 驗

1.1 材料與試劑

淀粉、丙烯酰胺、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺、甲基橙、過硫酸鉀、乙醇,均為化學純,均由西安化玻器械公司提供.

1.2 儀器設備

722型可見分光光度計(上海棱光技術有限公司);AD-12型恒溫振蕩箱(鶴山精湛染整設備有限公司).

1.3 St-g-PAM凝膠制備、表征

1.3.1 制備 將5g淀粉與100mL蒸餾水加入三口瓶中,于90℃糊化1h.將糊化淀粉溶液冷卻至70℃后，依次加入引發劑和交聯劑,隨后滴加100mL含20g丙烯酰胺單體的水溶液.滴加完畢后于70℃反應4h.對反應產物進行洗滌、干燥及粉碎處理后即得St-g-PAM凝膠.

1.3.2 表征 反應產物用Bruker Vector 70紅外光譜儀進行紅外分析,采用溴化鉀粉末壓片法,譜圖采集范圍為4 000～400 cm-1.

1.4 St-g-PAM凝膠對甲基橙的等溫吸附實驗

于8只具塞錐形瓶中分別準確稱取一定量St-g-PAM，再分別加入100mL不同濃度的甲基橙溶液，置于恒溫振蕩箱中，在25℃振蕩一段時間后離心分離.用分光光度計測定上層清液的吸光度(λ=505nm).利用甲基橙的濃度-吸光度標準曲線算出相對應的甲基橙溶液濃度.以吸附量qe(mg/mg)表征吸附效果：

qe=[(c0-ce)V]/m.

其中c0為甲基橙的初始質量濃度(mg/L),ce為吸附平衡時溶液中甲基橙的質量濃度(mg/L),m為St-g-PAM的質量(mg),V為溶液體積(L).

1.5 吸附動力學實驗

準確稱取一定量St-g-PAM放入3只具塞錐形瓶中,分別加入100mL不同濃度的甲基橙溶液,置于恒溫振蕩箱中,在25℃振蕩.在不同時間段取樣分析，測定溶液中吸附質的濃度，直至達到吸附平衡為止.

2 結果與討論

2.1 St-g-PAM紅外表征

2.2 St-g-PAM的吸附模型

25℃時St-g-PAM凝膠自水中吸附甲基橙的等溫線如圖2所示.

從圖2可以看出,St-g-PAM的吸附量隨著甲基橙平衡濃度的增加而增大.在測試的濃度范圍,最高可達0.432mg/mg,表明St-g-PAM對甲基橙具有優良的吸附能力.對于固液吸附體系,常用的兩種吸附模型有Langmuir等溫吸附方程和Freundlich等溫吸附方程[4],其公式分別為

其中qm為飽和吸附量(mg/mg),b為與吸附能力有關的吸附常數(L/mg),K和n分別為與吸附劑容量和吸附強度有關的Freundlich常數.

分別用Langmuir和Freundlich方程對圖2中的實驗數據進行擬合,結果見表1.比較表1中的兩種模型相關系數可知,St-g-PAM對甲基橙的吸附行為更符合Freundlich方程.Freundlich模型通常適用于表面具有不同類型吸附位點的情況.因此,可以推斷St-g-PAM對甲基橙不是簡單的單分子層吸附,而是多層吸附,并且在多個活性位點上均有吸附.St-g-PAM上的活性基團—OH、-NH2分別可以與甲基橙分子形成氫鍵作用[5].另外,St-g-PAM凝膠為多孔結構,其大比表面積也可產生物理吸附作用.

根據Freundlich理論,K表示吸附量的大小,n表示吸附強度的大小,n>1,則表明該吸附為優惠型吸附,吸附強度較大.根據實驗數據計算的n為1.553,故可認為St-g-PAM容易吸附甲基橙,這與實驗現象一致.根據n和K的值計算可得出25℃時St-g-PAM對甲基橙的吸附方程如下:

2.3 St-g-PAM吸附動力學

表1 St-g-PAM對甲基橙的等溫吸附參數

St-g-PAM吸附動力學曲線如圖3所示.可以看出,隨著吸附時間的延長,吸附量起初增加很快,但在40min以后,吸附基本達到飽和.根據多孔吸附劑的液相吸附理論[6],可將St-g-PAM吸附甲基橙的過程分為快速吸附階段、逐步吸附階段和吸附平衡階段3個階段.圖3中吸附時間為0～20min的曲線部分對應的是快速吸附階段,此時甲基橙通過溶液擴散到吸附劑的表面(即液膜擴散);20～40 min為逐步吸附階段,此時甲基橙分子擴散到吸附劑內部孔隙中,吸附速率降低(即顆粒擴散); 40～120min為吸附平衡階段,此時St-g-PAM表面以及空洞內部的活性位點被甲基橙分子完全覆蓋之后,吸附達到飽和.

常用的吸附動力學方程有準一級動力學方程[7]和準二級動力學方程[8],其公式為

其中qt為t時刻吸附量(mg/L),k1為準一級速率常數(min-1),k2為準二級速率常數(mg/(mg·min)).

對圖3中的數據分別用準一級動力學方程、準二級動力學方程進行擬合,結果見表2.

表2 St-g-PAM對甲基橙的吸附動力學參數

注:qe,exp為由實驗測出的平衡時的吸附量;qe,cal為由動力學方程計算出的平衡時的吸附量.

從表2可以看出,準二級吸附動力學方程擬合得到的相關系數均優于準一級動力學方程.此外,通過對比擬合的平衡吸附量與實驗測得的平衡吸附量, 可知St-g-PAM對甲基橙的吸附過程更符合準二級吸附動力學方程.準二級速率常數k2隨著甲基橙初始濃度的增大而減小,這是由于吸附質的濃度增大,分子間的碰撞幾率增加,會導致St-g-PAM凝膠內壁微孔堵塞,使得傳質阻力加大,從而造成吸附速率的下降.

圖3 St-g-PAM對甲基橙的吸附動力學曲線 圖4 St-g-PAM對甲基橙的初始吸附速率與甲基橙初始濃度的關系

3 結 論

(1) 實驗制備的St-g-PAM對甲基橙具有優良的吸附能力,25℃時吸附量可達0.432mg/mg;

(3) 動力學研究結果顯示,St-g-PAM對甲基橙的吸附符合準二級動力學方程,而且其準二級速率常數k2隨著甲基橙初始濃度的增大而減小.

參考文獻：

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