Gel_CS_PPy_Zn...6凝胶对酸性品红的综合处理_邢建宇.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：基金项目：陕西省教育厅科学研究计划项目资助（）；省级大学生创新创业训练计划项目（）作者简介：邢建宇（），男，博士，副教授，研究方向为环境友好材料的制备及应用，电话：，：。材料科学 凝胶对酸性品红的综合处理邢建宇，黄菊梅，王 西，杨飞莹，白玥皓，单宇宸（长安大学 水利与环境学院；旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安；中陕核工业集团综合分析测试有限公司，陕西 西安）摘要：氧化降解是治理有机废水的常用方法之一，但是降解过程中形成的小分子物质可能会对水体形成二次污染。鉴于此，将 包埋在明胶 壳聚糖 聚吡咯（）凝胶中制备出 复合材料，实现凝胶吸附和光催化降解相耦合。通过扫描电镜（）、傅里叶变换红外光谱（）、紫外可见光谱（）对材料的结构及性能进行表征。以酸性品红（）为处理对象，开发出吸附富集和原位降解相结合的综合处理方法。凝胶体系可将 从污染水体中转移到凝胶内，实现 的大容量吸附富集，吸附效率可以达到，凝胶中的 可以将吸附的 氧化降解，并再生吸附位点。最终 可重复利用至少 次以上，处理效率保持在 以上。关键词：；聚吡咯；吸附；光催化降解中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（；，；，）：，（），（）（）（），：；氧化降解是治理水中有机污染物最常用的策略。其中光催化降解因其成本低、降解能力强、且绿色环保无污染而被广泛使用。但在处理废水过程中，由于光催化纳米材料的尺寸小难以从水中分离，且不完全降解产生的小分子有机物会对水体带来二次污染，进一步限制了它的实际应用。凝胶吸附剂是由三维柔性聚合物网络组成，凝胶网络及其特定官能团（比如，邢建宇等 凝胶对酸性品红的综合处理 投稿平台：，）可以大容量吸附水体污染物。将微观的纳米材料分散在宏观的凝胶网络中是实现纳米材料宏观化利用的重要方式，它不仅保持了纳米材料的大比表面积、大的传质面，还可以通过协同作用构建出具有专一性识别作用的空穴，可以针对某一种污染物实现选择性去除。同时利用凝胶网络的吸附功能和纳米光催化材料的降解性能，对吸附到凝胶网络中的污染物进行综合处理，有利于避免使用洗脱剂带来的二次污染等。将纳米聚吡咯（）分散到凝胶网络中，可以选择性吸附水体中酸性品红（）。在此基础上，文中将 引入到 凝胶网络中，以 为处理对象，进行了吸附富集和原位降解相耦合的综合处理研究。实验材料及方法 原材料吡咯（）、壳聚糖（）、明胶（）、酸性品红（）、过硫酸铵（）、硫代乙酰胺（）、均购于阿拉丁试剂（上海）有限公司。所有溶液均用蒸馏水配制。的合成将 ，加入到 去离子水中，搅拌 ，然后加入 ，继续搅拌 ，混合均匀后转移到 水热釜中，于 下加热 ，然后用水和乙醇洗涤多次，在 下干燥。最后得到黄色的。基复合水凝胶的合成将 溶解在 水中，通过超声均匀分散，明胶于 溶解在 水中，壳聚糖溶解在 体积分数为 的 溶液中，然后将三者混合均匀后，加入 单体，搅拌 后，再加入 的 溶液，搅拌一定时间后，在 下保持 。将凝胶切成均匀的块，并在室温下置于环氧氯丙烷的碱溶液中 。经环氧氯丙烷交联后，用纯水充分洗涤。然后置于 干燥，得到 凝胶。凝胶和 凝胶只是在制备过程中不加入 和。复合材料的表征通过扫描电镜（，）观察所制凝胶的微观形态。使用 进行红外光谱分析。使用紫外可见分光光度计（，）进行光吸收测定。溶液中 的质量浓度通过 紫外 可见分光光度计在 处测定。吸附及再生在搅拌条件下（转速为 ）将 凝胶、凝胶和 凝胶分别加入 溶液（）中，黑暗条件下，室温吸附 。吸附后的凝胶用模拟日光源（）光照处理。然后把处理后的 凝胶、凝胶和 凝胶再分别加入 溶液（）中，在室温下吸附 。每隔 取样，测定 残余量。按式（）计算吸附效率：（）式中：、分别为 的初始及吸附 时间后的质量浓度，。结果与讨论 材料表征如图（）所示，凝胶具有相互交联的水凝胶网络结构，表面光滑平整。引入 后，如图（）和（）所示，凝胶表面变得较为粗糙。由于氧化态的 带有一定的正电荷，可与 和 中的含氧官能团之间形成静电作用，凝胶比 凝胶表面更连续。图（）可以明显看出 凝胶中掺杂的 固体颗粒，表明 很好地分布在凝胶表面，增加了材料的粗糙度和比表面积。所制材料的红外光谱分析如图 所示，、和 附近的峰是酰胺键的特征峰，这表明 凝 胶 中 肽 键 的 存 在。凝 胶 中 附近的峰对应着=伸展，附近的峰对应着 伸展。吸收峰 和 的吸收强度比（）与 链的共轭程度相关。当引入 后，可以从 凝胶的光谱图中看出，红外吸收发生了一定的改变。和 附近的吸收峰变宽，并发生红移。而这些吸收峰属于酰胺键的特征峰，均与 原子相关，说明 化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：中 的引入会与原体系中的 原子发生相互作用。图 、的 图 ，图 红外光谱分析 、和 的光吸收能力如图 所示。可以看出，在紫外光区有较强吸收，当 中添加 时，的光吸收主要集中在紫外光区。而 在紫外区和可见光区都有强烈的吸收，的引入，使得 在紫外光区和可见光区都有较强光吸收。将 和 均复合在 凝胶中，能够在利用 优秀光催化能力的同时，通过导电聚合物 有效分离产生光生电子和空穴，更好地提升光催化降解性能。图 光谱分析 吸附性能测试在转速为 搅拌条件下，将 凝胶置于 刚果红（）、罗丹明（）、甲基橙（）、孔雀石绿（）、染料溶液（）中，如图（）所示，可以明显看出 凝胶对 吸附效率最高，吸附效率可以达到 ；对 和 有部分吸附，吸附效率分别为 和 ；对 和 则不吸附。凝胶吸附的机理可能是因为 的存在，的氧化态呈正电性的，可以与带有负电荷的染料分子结合，最终实现吸附。和 都是阳离子染料，不包含带负电的基团，与氧化态的 相互排斥。虽然，和 都是阴离子染料，但是由于其分子大小和带负电荷基团数目的不同，凝胶对 表现出更强的吸附，而对 和 仅有少量吸附。溶液质量浓度对吸附的影响如图（）所示，溶液的初始质量浓度为、和 ，其吸附效率为 、和 。质量浓度 过 低 时（），吸 附 效 率 可 以 达 到.，但是吸附位点未达到饱和；质量浓度过高时（），由于吸附位点数小于 的分子个数，导致吸附效率降低到 。由此可见，溶液的最佳初始质量浓度为 。温度对 的吸附影响如图（）所示。在、和 下，凝胶的吸附效率为 、和 。随着温度增加了分子的热运动，促进 向凝胶内部的迁移，同时也说明了 具有一定的热稳邢建宇等 凝胶对酸性品红的综合处理 投稿平台：定性。图 不同染料、质量浓度、温度对吸附的影响 ，吸附降解光再生 的光再生 、均对 具有良好吸附作用，如图（）所示，分别为 ，和 。从图（）可以看出，经过光照再生后，凝胶吸附效果最好、凝胶次之、凝 胶 最 差。吸 附 效 率 分 别 为 ，.和 。说明 可有效地将吸附的 原位降解并再生吸附位点。图 、和 对 的初次吸附及光再生后吸附 ，吸附降解光再生循环实验 对 的循环吸附如图 所示。从图（）中可以看出，黑暗条件下，凝胶对 的吸附速率随着循环次数的增加迅速变慢，且吸附效率也迅速下降，次循环后吸附效率从 降到了 。从图（）可以看出，在 次吸附富集原位光催化再生循环过程中，凝胶对 的吸附速率随着循环次数的增加逐渐变慢，但仍保持对 具有高效的吸附性能，次循环后的吸附效率仅从.降到。通过图（）的对比，可以看出光照有利于实现 凝胶的再生性和可重复利用性，且再生后的 凝胶具有良好的稳定性，仍对 具有高效的吸附性能。光催化降解机理 凝胶的光再生主要源于，在光照作用下 产生空穴（）及光生电子（），有助于两者的分离，其中 可与 与 结合生成。可与水中 生化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：成，和是 降解的主要活性物质，可能的反应过程为：其他降解产物图 对 的循环吸附实验 如图 所示，没有自由基捕获剂的加入，对 的降解效率为 ，当加入 和的捕获剂异丙醇和对苯醌时，降解效率下降到了 和 。进一步说明 和是 降解的主要活性物质。图 的活性中间体猝灭实验 结论（）将 引入到 凝胶中，制备出的 凝胶可以高效吸附，吸附效率可以达到 。（）吸附有 的 凝胶可通过光照再生，再生后经历 次吸附循环效率仍能达到 。（）将吸附富集与光催化再生相耦合，实现了污染组分转移与结构降解过程的紧密衔接，可避免降解产物对水体的二次污染，在处理有机污染物废水方面体现出了一定的应用潜力。参考文献：，：，：，：，（，），：，：，邢建宇等 凝胶对酸性品红的综合处理 投稿平台：（），：，（）：，：，：，：，：，（）：，（），（）：，（）：，：，（），（）：，（）：，：版 权 声 明为适应我国信息化建设，扩大本刊及作者知识信息交流渠道，化学工程期刊已加入中国知网 系列期刊数据库、中国核心期刊（遴选）数据库（万方数据 数字化期刊群）、中文科技期刊数据库、中国科学引文数据库、中国学术期刊文摘（中文版）、美国化学文摘（）、俄罗斯文摘杂志、日本科学技术振兴机构中国文献数据库、荷兰、美国乌利希期刊指南等数据库。凡本刊发表的论文，将同时通过本刊加入的数据库进行网络出版或提供信息服务，稿件一经刊登，将在本刊稿酬中一次性支付著作权使用报酬（即包括印刷版、光盘版和网络版等各种使用方式的报酬）。如作者不同意论文被上述数据库收录，请向本刊提出书面说明，本刊将作适当处理。为保护知识产权、杜绝学术不端行为，本刊对拟录用稿件均进行学术不端文献的检测，对于一旦发现一稿多投和抄袭稿件等学术不端行为，编辑部视其情节，作出禁止刊登或网上公告等处罚。化学工程编辑部