MXene-CMP復合材料吸附染料、低共熔溶劑和浸出液試驗研究*

楊明帥，張子揚，王 晶，王韜然，石卓加，賁梓欣，常 藝，陳 鈺

(廊坊師范學院 化學與材料科學學院，河北 廊坊 065000)

前言

低共熔溶劑被認為是21世紀新型綠色溶劑，具有可設計性強、可生物降解、耗能低、綠色環保等優良特性[1]，在電化學[2，3]、納米材料合成、有機合成[4]、氣體吸收[5]等方面應用廣泛。然而，部分低共熔溶劑仍具有一定毒性，且存在穩定性差和安全性低等弊端[6，7]。現階段對廢舊低共熔溶劑的回收處理方法及環節尚未成熟，不符合可持續發展理念。中國是染料生產大國，染料廢液是最普遍存在且難以治理的工業廢水之一。大部分染料中富含有毒有害的污染物[8]，不僅會對環境產生惡劣影響，還會對人體健康構成嚴重威脅[9-12]。大多數傳統廢液處理方法存在高能耗、高成本、產生副產品、對環境不友好以及對污染物吸附效率不高等技術缺陷[13，14]，因此，急需尋找一種綠色高效、簡便快捷的方法對廢舊染料、低共熔溶劑及其浸出液等廢液進行處理。

MXene是一種新型二維過渡金屬碳/氮化合物，具有高比表面積、強穩定性、表面活性位點豐富等特性[15-17]，因具有出色的生物相容性、導電性及環境友好性和極高的層間間距，使其在染料、重金屬及金屬離子的吸附處理等眾多領域均有良好的應用前景[18]。二維共軛聚合物CMP因其具有高度可調節性、良好的微孔結構、大型共軛網絡和優異的光學性能等特性，使其在氣體吸附、多相催化、光收集及電能儲存等多領域應用中展現出優異的性能[19，20]。

本文制備了一種由MXene與CMP復合而成的MXene-CMP復合材料。試驗結果表明，在 25 ℃ 條件下，MXene-CMP對染料和低共熔溶劑溶解鈷酸鋰后的浸出液具有較好的吸附效率，為廢液的處理回收提供了溫和、便捷的方法。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與藥品

UV-1100紫外可見光分光光度計(上海美析儀器有限公司)，集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(上海捷昂儀器有限公司)，傅立葉紅外光譜儀由德國布魯克公司生產。四(三苯基膦)鈀(北京伊諾凱科技有限公司，純度99%)、1，3，5-三乙炔苯(北京伊諾凱科技有限公司，純度98%)、MXene(多層Ti2C粉末)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、1，4-二碘苯(上海皓鴻生物醫藥科技有限公司，純度99.21%)、三乙胺(上海阿拉丁生化科技股份有限公司，純度99.0%)、甲基橙(天津市大茂化學試劑廠，分析純)、 羅丹明B(天津市光復精細化工研究所，分析純)、碘的水溶液、1/2水合六硝基合鈷酸鈉、六水合硫酸鎳、氯化鐵、五水合硫酸銅、六水合硝酸鎳、乳酸(北京伊諾凱科技有限公司，純度85% ～90%)、纈氨酸(上海泰坦科技股份有限公司，98%)、甘氨酸(北京伊諾凱科技有限公司，99%)。

1.2 復合材料制備與吸附

分別稱取 7.5 mg 四(三苯基膦)鈀，100.1 mg 1，3，5-三乙炔苯，1 mg MXene和 329.9 mg 1，4-二碘苯加入三頸燒瓶，量取 12 mL N，N-二甲基甲酰胺和 6 mL 三乙胺于三頸燒瓶混合，隨后抽真空換氣，接通冷凝裝置，在 100 ℃ 下反應 24 h，將產物抽濾，固體產物使用甲醇溶液洗滌，最后干燥得到MXene與二維共軛聚合物CMP復合型吸附材料，即MXene-CMP復合材料。5 g 廢液分別與 0.01 g MXene-CMP復合材料混合，在 25 ℃ 條件下磁力攪拌 1 h，取出上層清液測量其吸光度，進而計算吸附效率。

2 結果與討論

2.1 吸附染料

MXene-CMP復合材料對五水合硫酸銅的吸附率最高(90.77%)，對羅丹明B和甲基橙溶液的吸附率最低(分別為26.92%和27.56%) (如圖1所示)。與有機溶液(羅丹明B和甲基橙)相比，MXene-CMP復合材料對無機溶液的吸附效果更佳。原因可能為：MXene表面附著豐富的羥基等帶負電官能團[17]，對金屬離子有較強的吸附能力，極易通過靜電作用與帶正電的金屬離子結合，使得對金屬離子的吸附效果更好。其中，MXene-CMP復合材料對五水合硫酸銅的吸附能力分別強于六水合硝酸鎳、氯化鐵、碘的水溶液、六水合硫酸鎳、1/2水合六硝基合鈷酸鈉、甲基橙和羅丹明B溶液。

圖1 MXene-CMP復合材料對不同染料的吸附

2.2 吸附低共熔溶劑

MXene-CMP復合材料對纈氨酸-乳糖(1∶12)型低共熔溶劑的吸附效率高于甘氨酸-乳酸(1∶12)型低共熔溶劑(常溫，24 h，圖2)。可能原因為甘氨酸與乳酸之間的作用力大于纈氨酸與乳酸之間的作用力，甘氨酸-乳酸(1∶12)型低共熔溶劑中較強的組分間作用力不利于與MXene-CMP復合材料作用，因而MXene-CMP復合材料更易與纈氨酸-乳酸(1∶12)型低共熔溶劑結合，對其吸附效率更高。但總體來看，二者吸附效果相差甚小。此外，纈氨酸-乳酸(1∶12)型低共熔溶劑與纈氨酸-乳酸(1∶14)型低共熔溶劑的吸附數據顯示，纈氨酸含量與吸附效率呈正比。由此得出，改變低共熔溶劑的氫鍵供體及其含量，對MXene-CMP復合材料的吸附效率有一定影響，但與染料吸附數據相比(表1)，MXene-CMP復合材料對低共熔溶劑整體的吸附效果較差。

圖2 MXene-CMP復合材料吸附不同低共熔溶劑

表1 MXene-CMP復合材料吸附廢液

2.3 吸附低共熔溶劑浸出液

在常溫下，分別對纈氨酸-乳糖(1∶12)型低共熔溶劑和其溶解鈷酸鋰后的浸出液(以下簡稱含鈷離子、鋰離子的浸出液)吸附 24 h，發現MXene-CMP復合材料對浸出液的吸附效果(16.51%)優于對低共熔溶劑的吸附效果(0.24%)，約為69倍。推測原因為MXene表面有豐富親水性的含氧基團，其負電荷基團對金屬離子Co3+、Li+有較強的吸附能力，因金屬尺寸小，極易被層狀MXene捕獲，表現出MXene-CMP復合材料對金屬離子具有良好的吸附性，因而，MXene-CMP復合材料對含鈷離子、鋰離子的浸出液吸附效率高于其低共熔溶劑原液。見圖3。

圖3 MXene-CMP復合材料吸附浸出液

3 結論

文本通過設計合成MXene-CMP復合材料，探究了MXene-CMP復合材料對染料、低共熔溶劑及含有鈷離子和鋰離子浸出液的吸附效果。研究表明，通過改變低共熔溶劑的氫鍵供體及摩爾比，對MXene-CMP復合材料的吸附效率有一定的影響，但整體來看，MXene-CMP復合材料對無機溶液的吸附效果優于有機溶液，其中，對濃度為 50 mmol/L 的五水合硫酸銅溶液吸附效率高達90.77%。因此，利用MXene-CMP復合材料吸附染料和低共熔溶劑及其浸出液對工業廢液的綠色處理具有一定可行性和指導意義。