聚间苯二胺的合成及其吸附硫酸根离子的特性研究

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硫酸根废水主要来源于冶炼和化工等行业,排放量大,浓度高,不仅危害生态环境,而且影响工业生产。目前迫切需要开发高效的治理技术。本文以间苯二胺为单体,过硫酸铵为氧化剂,通过化学氧化聚合,得到一类具有共轭结构的新型聚间苯二胺吸附材料,系统考察了不同因素对合成反应的影响;研究了合成产物对水体中硫酸根吸附性能,并通过FTIR, XPS等表征手段及分子最小化能量计算,对吸附及解吸机理进行了探索。同时结合聚合机制分析,提出氧化聚合酸碱调控法(OPab法),对聚合工艺进行了改进。主要成果如下:(1)聚间苯二胺研制结果表明,聚间苯二胺的产率、氧化程度和水溶性受氧化剂的种类、氧化剂与单体物质的量比及聚合体系初始pH影响很大。其中,过硫酸铵作氧化剂可制备高产率和低水溶性的聚间苯二胺;减小氧化剂与单体物质的量比会降低产物产率及其氧化程度;而提高聚合体系初始pH会提高产物产率但会降低其氧化程度。(2)系统研究了聚间苯二胺的硫酸根吸附性能,聚间苯二胺可脱除溶液中近99.8%的硫酸根离子,而其吸附量达107.9 mg·g-1。聚间苯二胺吸附硫酸根能力随其氧化程度的下降而升高。溶液初始pH值越低硫酸根吸附效果越好。在五次吸附-解吸循环利用实验中,聚间苯二胺性能无衰减趋势,其累积的硫酸根吸附量高达487.95mg·g-1。(3)硫酸根吸附机理研究表明,当溶液初始pH>3,吸附作用主要为物理吸附。而当pH<3时,聚间苯二胺主要依靠亚胺基团的质子化作用(或掺杂)吸附硫酸根离子;其中,醌式亚胺被质子化后部分转变为质子化态的苯式仲胺参与吸附。解吸时加入碱性溶液可中和参与掺杂的质子酸,实现高效地再生聚间苯二胺。(4)基于聚合反应中单体和氧化剂的反应活性对pH的响应,提出了聚间苯二胺合成新方法:氧化聚合酸碱调控法(OPab法)。OPab法通过同步加入一定浓度的氧化剂和NaOH溶液制备高产率及低氧化程度的聚间苯二胺。NaOH溶液用于调控聚合反应pH进而控制单体和氧化剂活性。其中,加2 mol.L-1 NaOH溶液制备的聚间苯二胺(命名为PmPD(NaOH2))产率高且吸附性能提升幅度大。PmPD(NaOH2)的硫酸根吸附量高达125 mg·g-1,而银离子吸附量可达1886 mg·g-1。(5)基于分子能量最小化计算及分子稳定性,探讨了氧化程度与吸附性能的关系。
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