辐射接枝制备聚甲基丙烯酸N...对Cr(Ⅵ)的吸附还原性能_王亚洋.pdf

第 41 卷 第 1 期2023 年 2 月辐射研究与辐射工艺学报 J.Radiat.Res.Radiat.PVol.41,No.1February 2023辐射接枝 制备聚甲基 丙 烯 酸 N,N-二 甲 氨基 乙酯-TiO2光催化剂及其 对 Cr(VI)的 吸 附 还 原 性能王亚洋1,2 王亦凡2 张 彬2 杨小洁2 李月生2,31（武汉科技大学化学与化工学院 武汉 430074）2（湖北科技学院辐射化学与功能材料湖北省重点实验室 咸宁 437000）3（湖北省智慧康养产业技术研究院 咸宁 437000）摘要 以二氧化钛（TiO2）为基材，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）为单体，采用共辐射接枝法成功合成了聚甲基丙烯酸N，N-二甲氨基乙酯-TiO2（TiO2-g-PDMAEMA）吸附-光催化剂。同时探究了单体浓度和吸收剂量对重金属离子吸附作用的影响。利用扫描电镜、X射线衍射仪、傅里叶红外光谱分析仪、热重分析仪、X射线光电子能谱、接触角等表征手段，证实了电子束共辐射接枝法成功将DMAEMA单体接枝到TiO2表面。在吸收剂量为60 kGy、单体浓度为20%时，TiO2-g-PDMAEMA对10 mg/L Cr(VI)具有较佳的吸附能力，吸附容量可达10.75 mg/g。在可见光诱导下，吸收剂量为60 kGy、单体浓度为10%时，制备的TiO2-g-PDMAEMA具有最佳的吸附-光催化还原能力，对10 mg/L Cr(VI)的去除率达85.56%。该新型光催化剂上的吸附-光催化协同效应可以满足去除水中Cr(VI)污染的要求。关键词 二氧化钛，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯，辐射接枝，光催化，Cr（VI），吸附-光催化还原中图分类号 TL13DOI:10.11889/j.1000-3436.2022-0069Preparation of poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate)-TiO2 photocatalyst by radiation grafting and its adsorption and reduction performance for Cr(VI)WANG Yayang1,2 WANG Yifan2 ZHANG Bin2 YANG Xiaojie2 LI Yuesheng2,31(School of Chemistry and Chemical Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)2(Key Laboratory of Radiation Chemistry and Functional Materials,Hubei Province,Hubei University of Science and Technology,Xianning 437000,China)3(Hubei Industrial Technology Research Institute of Intelligent Health,Xianning 437000,China)ABSTRACT TiO2-doped polymethacrylate N,N-dimethylaminoethyl methacrylate(DMAEMA)(TiO2-g-基金资助：湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队项目(T2020022)、咸宁市科技研究与开发(高新类研发重点专项)项目(2021GXYF021)、湖北省大学生创新创业训练计划项目(S201910927021)和湖北科技学院科学发展基金(2021ZX01、2022FH09)资助第一作者：王亚洋，女，1995年4月出生，2020年于湖北科技学院获得学士学位，在读硕士研究生通信作者：李月生，教授，E-mail:收稿日期：初稿 2022-07-18；修回 2022-09-16Supported by Outstanding Young and Middle-aged Science and Technology Innovation Team Project of Hubei Province Colleges and Universities(T2020022),Xianning City Science and Technology Research and Development(High-tech R&D Key Special Project)(2021GXYF021),Hubei Province College Students Innovation and Entrepreneurship Training Program(S201910927021)and Science Development Fund of Hubei University of Science and Technology(2021ZX01,2022FH09)First author:WANG Yayang(female)was born in April 1995,and obtained her bachelors degree from Hubei University of Science and Technology in 2020,and now she is a graduate studentCorresponding author:LI Yuesheng,professor,E-mail:Received 18 July 2022;accepted 16 September 2022辐 射 研 究 与 辐 射 工 艺 学 报 2023,41:0102030102032PDMAEMA)was successfully synthesized by the co-radiation grafting method with titanium dioxide(TiO2)and DMAEMA as the base and the monomer,respectively.Meanwhile,the effects of monomer concentration and absorbed dose on the adsorption of heavy metal ion were investigated.A series of characterizations,including X-ray diffraction,scanning electron microscopy,Fourier-transform infrared spectroscopy,thermogravimetry,X-ray photoelectron spectroscopy and contact angle,confirmed that DMAEMA monomer was successfully grafted onto TiO2 surface by electron beam co-radiation grafting method.When the absorbed dose was 60 kGy and the monomer concentration was 20%,TiO2-g-PDMAEMA exhibited excellent adsorption capacity for Cr(VI,10 mg/L),up to 10.75 mg/g.In addition,the TiO2-g-PDMAEMA prepared at 60 kGy absorption dose and 10%monomer concentration displayed the optimal adsorption-photocatalytic reduction ability under visible-light irradiation,and the removal rate of Cr(VI,10 mg/L)reached 85.56%.In conclusion,the adsorption-photocatalytic synergistic effect of this new photocatalyst could meet the requirement of removing Cr(VI)from water.KEYWORDS TiO2,Polymethacrylate N,N-dimethylaminoethyl methacrylate(PDMAEMA),Radiation grafting,Photocatalytic,Cr（VI）,Adsorption-photocatalytic reductionCLC TL13在环境与人类健康领域，重金属是潜在危害的重要污染物，而汞、镉、铅、铬、砷，俗称重金属“五毒”1-2。它们以不同的形态存在于环境之中，与其他污染物不同的是，它们不能被微生物分解，而是在食物链中不断富集、积累，并通过生物体把某些重金属转为毒性更大的金属有机化合物，从而对自然环境和人体健康造成很大的危害3。重金属具有长期性、累积性、潜伏性和不可逆性等4特点，污染危害大，持续时间长，治理成本高，严重威胁着经济社会的可持续发展。铬是一种广泛应用于纺织业、制革业、冶金和电镀等行业的重金属，在水中以Cr（VI）和Cr（）形态存在。其中Cr（VI）为吞入性毒物，皮肤接触会导致过敏，更可能造成遗传性基因缺陷，不仅毒性大，还具有致癌性、长期持续性、不能被生物降解等特点5-7。Cr（VI）通过消化、呼吸道、皮肤及黏膜等手段侵入人体，还可以通过食物链在人体内不断累积而致癌。Cr（VI）是工业活动中产生的一种有害的重金属离子，如果排入生态系统，将造成严重的环境污染。去除废水中重金属的传统方法：化学沉淀法、溶剂萃取分离、吸附法和离子交换法等8-10。由于这些方法存在成本高、效率低、二次污染、无法去除微量污染物等缺陷，实际应用受到限制。迄今为止，废水中Cr（VI）的最佳处理方法之一是将有毒Cr（VI）转化为无毒Cr（）。光催化技术凭借其能耗低、工艺简单、无污染等优点，成为一种高效、经济、环境友好的方法11-12而被广泛应用。TiO2由于其无毒、光稳定性、化学稳定性、强氧化性、低成本等特点13-14，在众多的光催化剂中脱颖而出。为了进一步提升TiO2的光催化效果，研究者们致力于通过掺杂、包覆、复合、接枝以及表面修饰等方法15-16制备了许多新型高活性的TiO2光催化剂。本研究以二氧化钛（TiO2）为基材，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）为单体，利用电子束辐射技术，采用共混辐射接枝法17-18成功合成了TiO2-g-PDMAEMA。利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、傅里叶红外光谱分析仪（FTIR）、热重分析仪（TG）、X射线光电子能谱（XPS）、接触角等手段对制备催化剂的官能团特征、微观形貌、表面结构进行表征。探讨了单体浓度和吸收剂量对重金属离子吸附性能的影响；在可见光诱导下，通过光催化还原 Cr（VI），对该光催化剂进行催化活性评价。TiO2-g-PDMAEMA催化剂有望应用于重金属离子污水处理领域。1 材料与方法1.1 原料与仪器二氧化钛（TiO2，Degussa公司），DMAEMA、重铬酸钾（K2Cr2O7）、二苯碳酰二肼（DPCI）均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。实验用水均为去离子二次蒸馏水。1.2 TiO2-g-PDMAEMA制备称取1.00 g TiO2超声分散在50 mL离子水中，加入所需单体DMAEMA（质量分数为0%20%）于上述溶液中，超声搅拌待完全分散后，通氮气30 min，用注射器将溶液注入PE袋中密封。将样品在室温下用1 MeV电子束进行辐射接枝，吸收剂量王亚洋等：辐射接枝制备聚甲基丙烯酸N,N