聚苯胺-碳復(fù)合材料的制備及去除水中重金屬的性能研究.pdf

1、重金屬離子廣泛存在于各種水體中，具有痕量致毒、生物放大及在生物體內(nèi)難以降解等特點(diǎn)，對(duì)人體健康危害明顯，因而重金屬污染控制研究已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)研究中的重要課題。
　　目前，治理有害重金屬污染、凈化水質(zhì)的方法很多，其中，吸附法具有凈化效果好、可回收資源、操作簡(jiǎn)單、實(shí)用有效的特點(diǎn)，已得到廣泛的應(yīng)用。吸附法的關(guān)鍵是選擇吸附速率快、吸附容量大、再生容易的優(yōu)良吸附劑。聚苯胺（PANI）是一種新型導(dǎo)電功能聚合物，其分子中含有大量的氨基和亞胺基功

2、能基團(tuán)，它們對(duì)重金屬離子具有良好的絡(luò)合作用，能夠?qū)饘匐x子形成有效絡(luò)合。這些氨基及亞胺基還具有還原性，可以與一些氧化電位較高的重金屬離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)吸附。聚苯胺作為重金屬吸附劑的這些獨(dú)特吸附性能，引起了人們的極大興趣，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。
　　本論文針對(duì)PANI不溶于一般有機(jī)溶劑、機(jī)械強(qiáng)度差、難以加工的缺陷，利用具有大比表面積的碳材料作為載體，制備聚苯胺/碳復(fù)合材料，開展了聚苯胺/椰殼活性炭(PANI/GAC)復(fù)合材料和聚

3、苯胺/光譜純石墨(PANI/SPG)復(fù)合膜修飾電極的制備及去除污水中重金屬的性能研究。
　　采用原位化學(xué)聚合的方法制備了PANI/GAC復(fù)合材料，通過正交實(shí)驗(yàn)考察了過硫酸銨/苯胺摩爾比、硫酸濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)PANI產(chǎn)率的影響，優(yōu)化了復(fù)合材料的制備條件，利用SEM、FT-IR、XRD和XPS等表征測(cè)試手段對(duì)PANI/GAC復(fù)合材料的形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，過硫酸銨/苯胺摩爾比是影響PANI產(chǎn)率的首要因素，降低溫

4、度，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間有利于提高產(chǎn)率。PANI/GAC復(fù)合材料制備的最優(yōu)條件為，過硫酸銨/苯胺摩爾比為1∶1、硫酸濃度為1.0M、反應(yīng)溫度0℃、反應(yīng)時(shí)間12h。冠狀堆積的PANI顆粒均勻分布在GAC的表面，表明PANI/GAC復(fù)合材料的成功制備。
　　研究了PANI/GAC復(fù)合材料對(duì)水溶液中Cu2+的吸附性能，考察了pH值，吸附劑用量，吸附時(shí)間、金屬離子初始濃度和溫度等因素對(duì)吸附過程的影響以及材料的再生性，對(duì)吸附過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)

5、的模擬研究，通過對(duì)吸附前后PANI/GAC復(fù)合材料進(jìn)行SEM、EDS、FT-IR、XRD和XPS等表征分析，進(jìn)行了吸附機(jī)理探討，并與其他常用吸附劑進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PANI/GAC復(fù)合材料對(duì)水中Cu2+的吸附最佳pH為5.5;吸附劑用量2.0g/L;吸附動(dòng)力學(xué)符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程;吸附等溫線結(jié)果表明，PANI/GAC復(fù)合材料對(duì)Cu2+的吸附基本符合Langmuir等溫吸附方程，根據(jù)Langmuir方程計(jì)算的飽和吸附量為38.97m

6、g/g與實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果相一致;吸附過程為吸熱過程，在15～50℃范圍自發(fā)進(jìn)行，并且隨著溫度的增加，吸附量增大，吸附速率加快;Cu2+是通過化學(xué)作用吸附在PANI/GAC復(fù)合材料上;吸附了Cu2+的PANI/GAC復(fù)合材料可以通過0.1mol/L HCl溶液解吸再生，經(jīng)過6次循環(huán)使用吸附能力降低較少。綜上所述，PANI/GAC復(fù)合材料充分發(fā)揮有機(jī)和無機(jī)吸附材料的協(xié)同作用，具有吸附速率高，成本較低，再生性能良好的特點(diǎn)，是一種高效低成本的

7、吸附劑。
　　同時(shí)，采用兩步電化學(xué)氧化法制備了硫酸(H2SO4)和對(duì)甲苯磺酸(p-toluenesulfonicacid，pTSA)摻雜的PANI/SPG復(fù)合膜修飾電極，SEM表明H2SO4PANI復(fù)合膜具有多孔的形貌和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。整個(gè)膜由均勻的一維納米線構(gòu)成，纖維直徑100-200nm。pTSA/PANI復(fù)合膜的形貌相對(duì)松散，纖維短而粗，纖維直徑300-400nm。電化學(xué)降解表明，與H2SO4摻雜的聚合膜相比，pTSA作為大分

8、子酸摻雜的PANI在較低的電極電位（0.2-0.6 V）下穩(wěn)定性并未提高。但在較高的電極電位范圍內(nèi)（0.7-1.0 V），pTSA/PANI復(fù)合膜表現(xiàn)出了更加優(yōu)良的穩(wěn)定性。發(fā)生降解后，pTSA/PANI和H2SO4/PANI復(fù)合膜的FT-IR譜帶發(fā)生藍(lán)移，強(qiáng)度降低，EIS結(jié)果表明兩復(fù)合膜的電荷傳遞電阻均變大，導(dǎo)電性降低。
　　利用PANI的電化學(xué)氧化還原特性，以H2SO4摻雜的PANI/SPG復(fù)合膜修飾電極為陰極，通過電化學(xué)還原作

9、用處理水中Cr(Ⅵ)。結(jié)果表明，與裸SPG電極相比，PANI/SPG復(fù)合膜修飾電極對(duì)Cr(Ⅵ)的電化學(xué)還原去除具有優(yōu)良的催化性能，PANI的部分氧化態(tài)，EM2+是Cr(Ⅵ)與PANI主鏈之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的催化媒介;較負(fù)的陰極電位、低電解液pH值、適宜的PANI膜厚和電解液溫度可促進(jìn)Cr(Ⅵ)的電還原去除;PANI/SPG復(fù)合膜修飾電極上Cr(Ⅵ)的還原遵循準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)(k°=2.57×10-2min-1);循環(huán)伏安和FT-IR技術(shù)表