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黄原胶是淀粉发酵产物之一,是一种来源广泛而且能自然降解的可再生资源,利用黄原胶与丙烯酸、丙烯酰胺等含乙烯基和酰胺基单体接枝制备高吸水性树脂,使产物同时具有黄原胶的抗盐性以及丙烯酸和丙烯酰胺等单体共聚物的吸水特性,改善了吸水树脂的性能;再加上用廉价的凹凸棒黏土作为添加物,可以大大降低成本。在石油化工、建筑材料、电子行业和医疗卫生等多方面的实际应用中具有优异的性能。
通过以黄原胶为原料,丙烯酸及丙烯酰胺为接枝单体,并添加凹凸棒黏土用于改性,采用溶液聚合法合成的丙烯酸/丙烯酰胺改性黄原胶高吸水树脂,初步研究了聚合机理,并用现代分析手段对高吸水树脂进行结构表征。将XG-g-AA/AM作为一种新型的吸附剂,考察了其对金属离子的吸附性能,研究了吸附后结构与性能的变化,初步探讨了高吸水树脂吸附过程的热力学和动力学性质,同时讨论了其吸附机理。
主要研究内容和结果如下:
(1)采用溶液聚合法制备凹凸棒/黄原胶改性高吸水性树脂,通过正交试验和单因素实验的方法考察了合成XG-g-AA/AM的最佳工艺条件,利用红外光谱仪、X射线衍射仪和综合热分析仪对改性产物的结构进行表征。结果表明,溶液聚合法制备黄原胶改性高吸水性树脂的较佳工艺条件为:黄原胶与单体(AA/AM)的配比为1:5:1,温度70℃,交联剂的用量0.06%,过硫酸铵用量1.0%,丙烯酸中和度为70%,凹凸棒黏土用量3.0%。在较佳条件下制得的高吸水性树脂具有较好的性能,其吸水倍率为827g/g,盐水(0.9% NaCl溶液)吸收倍率为109g/g,吸水后凝胶强度较好。同时所合成的高吸水树脂吸液速率适中,而且具有良好的保水性。
(2)通过单因素实验方法考察了pH、时间等对XG-g-AA/AM吸附性能的影响,研究了在不同温度下改性产物的吸附行为,并根据吸附等温线研究了其吸附热力学性质,利用红外光谱仪和X射线衍射仪对吸附产物进行结构表征,研究了吸附机理。结果表明,溶液的pH、吸附时间和C0对吸附性能有较大的影响,吸附的最佳pH、时间和C0分别为6.5、8h和0.16mol/L。吸附温度对吸附性能的影响较小,可在常温下进行,在上述条件下,XG-g-AA/AM对Pb2+的吸附量可达1.9569mmol/g。XG-g-AA/AM对Pb2+的吸附行为符合Freundlich等温吸附方程,吸附是自发的、吸热的、熵增加的过程。XG-g-AA/AM主要通过物理吸附和配位吸附方式吸附Pb2+,Pb2+可与XG-g-AA/AM分子链上带负电荷的葡萄糖醛酸和丙酮酸群等阴离子基团发生强烈的静电作用,还可与N、O形成配位键,吸附Pb2+后XG-g-AA/AM的结晶结构被破坏,结晶度下降。
(3)研究了XG-g-AA/AM对Zn2+的静态吸附行为,并根据吸附等温线研究了吸附热力学性质,分析了吸附动力学性质,利用红外光谱仪和X射线衍射仪对吸附产物进行结构表征,讨论了吸附机理。结果表明,在研究的浓度范围内,XG-g-AA/AM对Zn2+的吸附行为既符合Langmuir等温吸附方程又符合Freundlich等温方程,吸附是自发的、吸热的、熵增加的过程,升高温度有利于吸附向正反应方向进行,动力学研究表明,吸附行为可以很好地用二级吸附动力学模型来描述。产物的结构表征说明XG-g-AA/AM吸附Zn2+与吸附Pb2+的机理一致。