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，對人體健康危害明顯，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、操作簡單、實用有效的特點，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，它們對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特吸附性能，引起了人們的極大興趣，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。
　　本論文針對PANI不溶于一般有機溶劑、機械強度差、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，通過正交實驗考察了過硫酸銨/苯胺摩爾比、硫酸濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等因素對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等表征測試手段對PANI/GAC復(fù)合材料的形貌結(jié)構(gòu)進行了分析。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，延長反應(yīng)時間有利于提高產(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)合材料對水溶液中Cu2+的吸附性能，考察了pH值，吸附劑用量，吸附時間、金屬離子初始濃度和溫度等因素對吸附過程的影響以及材料的再生性，對吸附過程進行了動力學(xué)和熱力學(xué)

5、的模擬研究，通過對吸附前后PANI/GAC復(fù)合材料進行SEM、EDS、FT-IR、XRD和XPS等表征分析，進行了吸附機理探討，并與其他常用吸附劑進行了對比。實驗結(jié)果表明，PANI/GAC復(fù)合材料對水中Cu2+的吸附最佳pH為5.5;吸附劑用量2.0g/L;吸附動力學(xué)符合二級動力學(xué)方程;吸附等溫線結(jié)果表明，PANI/GAC復(fù)合材料對Cu2+的吸附基本符合Langmuir等溫吸附方程，根據(jù)Langmuir方程計算的飽和吸附量為38.97m

6、g/g與實驗得到的數(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)揮有機和無機吸附材料的協(xié)同作用，具有吸附速率高，成本較低，再生性能良好的特點，是一種高效低成本的

7、吸附劑。
　　同時，采用兩步電化學(xué)氧化法制備了硫酸(H2SO4)和對甲苯磺酸(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)生藍移，強度降低，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)一級動力學(xué)(k°=2.57×10-2min-1);循環(huán)伏安和FT-IR技術(shù)表