基于粘土的复合材料的制备.doc

基于粘土的高吸水树脂复合材料的合成及其吸附性能以N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，以过硫酸铵为引发剂，采用溶液法将部分中和的丙烯酸和膨润土通过共聚反应合成了一种新型的高吸水树脂复合材料。用傅利叶红外光谱仪、热重分析仪和扫描电镜对高吸水树脂复合材料进行了表征。对其保水性能进行了测定。合成的复合材料的吸自来水和0.2%NaCl倍率分别是352g/g，110g/g。用Langmuir吸附等温线对复合材料去除重金属的性能进行测定。基于膨润土的复合材料对重金属Pb2+ Ni2+ Cd2+ Cu2+溶液最大吸附量分别是1666.67、270.27、416.67和222.22mg/g。结果表明复合材料对于去除受污染水中重金属具有巨大潜能。1 引言 水凝胶是具有微交联结构的亲水性聚合物，能够吸收、溶胀和保持自身数千倍的水。由于它们的超强性能，已广泛应用于卫生、农业、医学和制药。在这些应用中，吸水和保水是至关重要的。一些学者对吸水聚合物进行改性以提高它们的吸水性能、凝胶强度和吸水速率。近些年来，由于有机-无机复合高吸水复合材料相对低的生产成本，高吸水性能以及在农业和卫生上的广泛应用，其制备已引起了人们的广泛关注。本研究选择了资源丰富，价格低廉的膨润土。在过去的几个世纪里，由于重金属对活的生命体有毒，因此其在环境中含量的不断增加已引发了严重的环境问题。重金属影响新陈代谢和酶的活性。重金属会导致智力低下，破坏脑组织。因此必须降低其在环境中的浓度以达到法律规定的标准。据世界卫生组织报道，备受关注的重金属包括铬、镍、铜、铅、汞、锌。通常采用的化学沉淀和反渗透法对重金属的去除不能完全去除。重要的是，这些方法需要大量试剂和动力消耗，产生的有毒污泥需要后续处理。由于对去除重金属低成本、安全方法的需要推动了聚合物和共聚物的发展，聚合物和共聚物通过络合和离子交换来去除重金属。最近，这些聚合材料可以去除受污染的地表水的重金属，引起人们的高度关注。与以往方法相比，可重复使用、化学稳定性尤其是水解和热稳定性是其重要优势，使其在水净化和湿法冶金应用中具有广泛前景。Essawy and Ibrahim 制备了聚合物（乙烯基吡咯烷酮-丙烯酸甲酯）水凝胶并研究了在不同的pH、不同浓度和不同吸附时间下重金属的变化。Lietal制备了聚合物。丙烯酸接枝纤维素水凝胶也可用来去除重金属。近来，具有不同孔隙度的大孔聚合物也用来去除重金属。另外，羧甲基甲壳素也用来去除重金属。本研究合成了AA-膨润土高吸水树脂复合材料。首先，测定了复合材料在溶液和盐水中的溶胀行为。用傅里叶红外谱图对其进行表征。测定了其形态学和热力学特性。最后，对其吸附特性进行研究。研究了吸附时间和重金属浓度对复合材料的影响。2 实验部分2.1 材料单体AA，过硫酸铵（引发剂），N,N-亚甲基双丙烯酰胺（交联剂）由某公司提供。乙醇，分析纯。聚合反应温度保持在70+_1度。膨润土是由大量的具有层状结构（蒙脱土，贝得石和绿脱石）的粘土矿物组成的沉积岩。本实验用到的膨润土取自于某个市。用X射线对样品进行表征。膨润土的化学组成下:39.6% SiO2, 24.2% CaO, 9.57% Al2O3, 5.2% Fe2O3, 2.4% MgO, 1.4%MnO, 0.9% K2O, 0.7% SrO, 0.6% TiO2, 14.0% loss on ignition.110度干燥后过150_m筛。吸附和解析实验在氮气保护下进行。2.2 复合材料的制备 样品的最佳制备条件如下：AA(7.2g)溶解于蒸馏水中，用氢氧化钠溶液中和到60%。0.72克粘土加入到以上单体中，没有沉淀或团聚的粘土颗粒出现。在氮气保护下加入14.4克交联剂。在250转速下搅拌直到交联剂完全溶解。加入79.2克引发剂，共聚反应温度保持在70度2个小时以使单体完全消耗(见表1)。橡胶似的胶体从反应容器中取出，用剪刀切成小片，直径大约2-5mm。将这些切片加入到400毫升的甲醇中，聚合物沉淀。所有样品在80度烘箱中干燥直到恒重，以备各种性能的测试。2.3 复合材料的表征2.4 吸水能力的测定 对于干燥的聚合物，将一定量(0.10g)的分类产品（100-200m）分散到100ml的去离子水或0.2%盐水中，在恒定温度（20度）下达到溶胀平衡。在不同的pH下进行同样的操作。用HCl或NaOH调节pH值。用纱布对悬浮溶液过滤，在室温下干燥。当垂直拿起纱布凝胶颗粒不会再从纱布中漏出就认为干燥过程完成。每个溶胀值取两个不同的样品测定，取平均值。吸水倍率按下式计算:Wt = Ws Wd/WdWt是某时刻t时的溶胀率，Ws是某时刻t的溶胀复合材料的重量，Wd 是干燥样品的重量。 为了检测复合材料的重复使用性，每个样品连续吸水-失水-吸水重复五次。另外，用甲苯、三氯甲烷、苯、甲醇代替去离子来进行溶胀实验。结果表明，在其它容积中复合材料都不会溶胀。2.5 吸附研究对单个金属离子的去除进行了批量研究。用去离子水分别配置100mg/L的Pb(II), Ni(II), Cd(II) and Cu(II)250ml，来测定复合材料的吸附率。然后，在溶液中加入0.025g复合材料。在25度下以150rpm速度搅拌。在一定时间内（用AAS测定溶液中金属离子的浓度,用氘对其背景值进行校正。仪器的响应值定期用标准的金属溶液对其进行校正。对于每个样品，记录两次AAS的平均值。吸附的重金属的量可按下式计算：Q代表单位质量的复合材料吸附的重金属的量，单位mg/g。Co和Ce分别代表了金属离子的初始浓度和吸附后溶液中的浓度，单位mg/ml；V溶液的体积，m复合材料的重量。关于不同金属离子的浓度对吸附的影响进行了研究。在所有实验中，SAC的浓度保持在0.01g/50ml。用AAS来测定处理后金属离子的浓度。对混合溶液中重金属离子的竞争性吸附也进行了研究。在25度时，150rpm转速的三口瓶中，用0.2gSAC分别处理100和250mg/l的溶液200ml。达到吸附平衡后，用AAS测定剩余浓度。载有金属离子的SAC中重金属的解析在硝酸溶液中（50ml,0.1N）进行，25度条件下搅拌10min. 用AAS测定最终的离子浓度。由最初负载在复合材料的金属离子和解析后最终的离子浓度来金属解析率。3 结果与讨论3.1 复合材料的结构表征用扫描电镜检测SAC的表面形态。干燥试样涂上一层铂金属层以使表面能够导电。图1为由扫描电镜得到的纳米材料的微观结构图片。由电镜图片知，在聚合物基体中，粘土颗粒分散均匀。红外光谱图如图2，在3000-2850cm-1有季铵盐的C-H伸缩键。2988和2901cm-1两个比较明显的谱带分别为CH2反对称和对称伸缩峰。同时，在3432和3675cm-1处分别有NH官能团的N-H和OH官能团的O-H伸缩键。另外，季铵盐在1457cm-1附近有明显的谱带归因于CH2 官能团的C-H反对称。在1581和1735cm-1分别有CH2 官能团的C=C伸缩和CO官能团的C=O伸缩振动。另外，在1407 cm-1处为C-N的对称峰。在1284 cm-1出现强烈的吸收带是由于C-O官能团。3.2 溶胀率 SAC的溶胀曲线见图4。随着时间的变化溶胀率增加，一段时间后达到平衡。图4表明：高吸水树脂复合材料的溶胀率在0-60min内非常快，在60min内就达到了286.20g.g-1。60min后，溶胀率变慢，在180min时达到最大值352g.g-1。图4还显示了在0.2%NaCl溶液中的结果：在15min在就达到了76g.g-1，45min就达到了平衡值110g.g-1。pH对吸水量的影响在去离子水和0.2%NaCl溶液中也分别做了研究。由图5知，在去离子水中随着pH的增加吸水量是增加的。pH为2时复合材料溶解，失去吸水能力。在0.2%NaCl溶液中虽然pH对吸收量的影响并不大，但在pH为7时达到最大值。3.3 保水性能的测定在5000rpm下离心分离90min测定SAC的保水性。溶胀的高分子复合材料显示了非常好的保水能力，能保持97%的去离子水。然而，在不同温度的烘箱中加热测定溶胀的高分子复合材料的保水性。图5显示了在60和100度下溶胀的高分子复合材料的保水性。随着时间的变化，溶胀的高分子复合材料的保水性下降。在60和100度下