基于过氧化氢氧化聚苯胺/纤维素纤维复合材料的制备与性能研究

【摘要】原位化学聚合法是制备聚苯胺/纤维素纤维复合材料最常见的方法,但该方法在环境友好性方面存在严重不足,主要体现在传统氧化剂的还原产物影响了废液的回收再利用。为克服上述弊端,本论文采用过氧化氢这一绿色氧化剂,运用三氯化铁/过氧化氢催化氧化原位聚合法制备了聚苯胺/纤维素纤维复合材料(PAn/CF①型口PAn/CF分别利用沉积在纤维素纤维上的聚苯胺的导电性和还原性,将该复合材料应用于抗静电包装材料和去除水体六价铬两个方面,确定了应用在上述领域的复合材料的最佳制备工艺条件,讨论了外部条件对其去除水体六价铬过程的影响,采用多种等温吸附模型和动力学模型对这一过程的实验数据进行拟合,确定了反应过程的热力学参数,同时与采用传统的过硫酸铵为氧化剂制备的聚苯胺/纤维素纤维复合材料(PAn/CF③型)的去除水体六价铬的性能进行了全面的对比分析,主要研究内容及结论如下：1.在氮气保护条件下,以三氯化铁为催化剂、过氧化氢为氧化剂、盐酸为掺杂剂,制备具有良好导电性能的聚苯胺沉积型导电纸,解决了在酸性条件下过氧化氢氧化能力弱的问题。其最佳制备工艺条件为：过氧化氢与苯胺单体的摩尔比为1mol/mol:盐酸浓度为1mol/L:反应时间为2h；催化剂用量为0.15mmol/L:苯胺单体用量为6g/L；反应温度为室温。该条件下制备的导电纸的表面电阻和体电阻分别为：320KΩ和25KΩ,完全符合作为抗静电包装材料的标准。2.探索聚苯胺/纤维素纤维复合材料去除水体六价铬的性能,确定了三氯化铁/过氧化氢催化氧化原位聚合法的最佳工艺条件：反应温度为40℃；过氧化氢与苯胺单体的摩尔比为2mol/mol:盐酸浓度为1mol/L；反应时间为1.5h；催化剂(三氯化铁)用量为0.15mmol/L:苯胺单体用量为4g/L；浆浓为1%。确定了以过硫酸铵为氧化剂制备过程的最佳工艺条件为：反应温度为25℃；过硫酸铵与苯胺单体的摩尔比为0.8mol/mol;盐酸浓度为1mol/L;反应时间为2h；苯胺单体用量为4g/L；浆浓为1%。对比两类纤维复合材料的贮存稳定性发现：在水相中贮存48小时,两类纤维复合材料都保持了较好的贮存稳定性,对水体六价铬的去除率仍都能维持在93%以上。在空气中储存35天,PAn/CF②型(?)PAn/CF③型对六价铬的去除率分别维持在84.32%和91.26%,降幅分别为11.6%和6.7%。3.聚苯胺/纤维素纤维复合材料对水体六价铬的去除是一个还原吸附过程,该过程对六价铬的处理效果主要由溶液的pH值、六价铬的初始浓度、纤维复合材料用量以及吸附反应时间决定。还原吸附过程所需的反应时间很短,在10min内,聚苯胺/纤维素纤维复合材料就可实现对水体六价铬的全部去除,纤维素纤维对三价铬的吸附为整个过程的控制步骤；六价铬初始浓度为400mg/L时,PAn/CF②型和PAn/CF③型复合材料对六价铬的吸附量达到饱和值,分别为15.66mg/g和19.11mg/g。4.根据实验数据分别与不同类型的等温吸附模型及吸附动力学模型进行拟合,可确定：Langmuir等温吸附模型对实验数据的拟合度最高,根据模型计算出的复合材料对水体六价铬的饱和吸附量分别为16.44mg/g和19.85mg/g,与实验值十分接近。准二级动力学模型与实验数据拟合效果最佳,根据拟合结果发现：随着温度和六价铬初始浓度增加,反应速率下降,而随着复合纤维用量增加,反应速率升高；经吸附热力学分析,发现PAn/CF②型纤维复合材料对六价铬的去除过程属于放热反应(△H=-2.30KJ/mol)；而PAn/CF③型纤维复合材料对六价铬的去除过程属于吸热反应(△H=3.62KJ/mol),由颗粒内扩散模型的拟合结果可知：聚苯胺/纤维素纤维复合材料还原吸附六价铬的过程由液膜扩散和颗粒内扩散联合控制。综上所述,本研究采用新型绿色高效氧化剂过氧化氢制备的聚苯胺/纤维素纤维复合材料可作为抗静电包装材料和六价铬的高效吸附剂,已经基本达到采用传统的过硫酸铵为氧化剂制备的聚苯胺/纤维素纤维复合材料相同的性能,具有良好的应用前景。
【作者】刘相尧；
【导师】钱学仁；
【作者基本信息】东北林业大学，林产化学加工工程，2013，博士
【关键词】聚苯胺/纤维素纤维复合材料；过氧化氢；导电纸；六价铬；还原吸附；

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