聚苯胺的合成及其对六价铬吸附实验研究

陈 诚，李 曦，刘 信，胡善洲，焦龙华，董玉林，刘 鹏，李全华

（武汉理工大学 理学院化学系，湖北 武汉 430070）

聚苯胺是应用广泛的结构性导电高分子材料之一，其结构多样，合成方法简单，原料易得，有良好的稳定性［1－2］，在防腐涂料、抗静电和电磁屏蔽材料、超级电容器电极材料、传感器等领域已获得大量的应用［3－7］。

聚苯胺分子中含大量的胺基和亚胺基功能基团，对重金属离子具有良好的络合作用［8－9］；同时这些胺基和亚胺基还具有还原性，可与氧化电位较高的重金属离子发生氧化还原反应；聚苯胺对部分重金属离子（如Pb2＋、Hg2＋）有离子交换功能且具有很好的耐溶剂性能，使得聚苯胺能够广泛适用于各种复杂的吸附环境［10－11］。

采用化学氧化聚合法合成聚苯胺，并通过氧化还原滴定法研究其对Cr（VI）的吸附性能，使学生既可以初步了解有机高分子的合成，又可以巩固大学分析化学中的定量分析方法，并加强了学生对物理化学中表面吸附理论的理解；同时，该实验包含减压蒸馏、滴定、过筛等重要化学基本操作，是一个适用于培养学生独立自主思考能力、强化学生基本实验操作的综合性实验。

1 仪器与试剂

仪器：Lambda35紫外／可见光分光光度计（美国PerkinElmer仪器有限公司）；GZX－9140MBE数显鼓风干燥箱（上海博迅实业有限公司医疗设备厂）；SHZD（Ⅲ）型循环水真空泵（河南省予华仪器有限公司）；SHZ－82恒温振荡器（常州国华电器有限公司），标准检验筛（浙江上虞市五四纱筛厂）；减压蒸馏装置，移液管，恒压滴液漏斗，滴定装置，圆底烧瓶等。

试剂：苯胺（AR）；过硫酸铵（AR）；重铬酸钾（AR）；硫酸亚铁铵（AR）；浓盐酸；浓硫酸；磷酸；N－苯基代邻氨基苯甲酸指示剂；实验用水均为去离子水。

2 实验

2.1 聚苯胺的合成

将0.05mol新鲜减压蒸馏的苯胺加入到250mL的圆底烧瓶，并加入100mL、1mol／L的盐酸溶液，搅拌混匀，再用恒压滴液漏斗向其中慢慢滴加75mL、1mol／L的过硫酸铵和50mL、2mol／L的盐酸混合液，室温反应2h，抽滤，水洗3次；将产品于50℃干燥24h，得到墨绿色的聚苯胺粉末。样品采用紫外可见光谱进行表征，取少量所得聚苯胺溶于N，N－二甲基甲酰胺溶剂，在300～800nm波长范围内测其吸收。

2.2 聚苯胺对六价铬的吸附实验

将干燥好的聚苯胺研磨，过筛得所需粒径的聚苯胺备用。称取一定量的重铬酸钾，用去离子水溶解配成相应质量浓度的Cr（VI）溶液；移取100mL一定质量浓度的Cr（VI）溶液至锥形瓶中，再放入一定质量、一定粒径的聚苯胺，将锥形瓶放入恒温振荡箱中，20℃下恒温振荡一定时间后过滤。根据国标GB／T 15555.7—1995采用氧化还原滴定法测定滤液中剩余Cr（VI）的质量浓度。吸附量按下式进行计算：

其中，qt为t时间聚苯胺对Cr（VI）的吸附量（mg／g）；m0和mt分别为Cr（VI）的初始质量浓度和经吸附t时间后剩余质量浓度（mg／L）；V 为溶液体积（L）；m 为聚苯胺的质量（g）。

当吸附达平衡时，聚苯胺对Cr（VI）的吸附量即为平衡吸附量qe。

3 结果与讨论

3.1 聚苯胺的表征

制备的聚苯胺紫外光谱如图1所示，在328、627 nm处出现吸收峰，这是聚苯胺的翠绿亚胺盐形式的特征吸收峰。

图1 聚苯胺的紫外可见光光谱

3.2 聚苯胺对Cr（VI）吸附性能的研究

3.2.1 吸附剂粒径对吸附的影响

向5个250mL的锥形瓶中加入100mL、400 mg／L的 Cr（VI）溶液，分别加入0.2g不同粒径（0.074～0.097mm、0.097～0.125mm、0.125～0.2 mm、0.2～0.3mm、0.3～0.45mm）的聚苯胺，20 ℃下恒温振荡120min后，测定滤液中剩余Cr（VI）浓度并计算吸附量，结果如图2所示。从图2可以看出，随着聚苯胺粒径增大，吸附量逐渐减小。这是因为聚苯胺粒径越大，其总表面积越小，在吸附过程中吸附剂与六价铬的接触面积越小，所以吸附量减小。

图2 粒径对Cr（VI）吸附的影响

3.2.2 吸附剂的加入量对吸附量的影响

吸附剂的加入量对吸附量的影响如图3所示（聚苯胺粒径为0.125～0.2mm，其他条件与3.2.1节相同。从图3可以看出，随着聚苯胺加入量的增加，吸附量逐渐减小，实验结果与吸附量计算公式的结果一致。

3.2.3 吸附时间对吸附的影响

吸附时间对吸附量的影响如图4所示（聚苯胺粒径为0.125～0.2mm，其他条件与3.2.1节相同。图4表明，吸附量随着吸附时间的增加而增大，大约2h时达到饱和。采用动力学模型H0YS方程和Lagergren方程进行模拟，求出各模型参数和相关系数，结果见表1。由表1数据可知，二级动力学H0YS的相关系数R，R2＝0.999，相对于Lagergren模型，该模型计算出的qe与实验值比较接近。因此，我们认为聚苯胺对六价铬的吸附符合H0YS二级动力学模型。

图3 吸附剂的加入量对Cr（VI）吸附的影响

图4 时间对Cr（VI）吸附的影响

表1 吸附动力学模型拟合参数和相关系数

3.2.4 Cr（VI）离子初始浓度对吸附的影响

Cr（VI）离子初始质量浓度对吸附量的影响如图5所示，（聚苯胺粒径为0.125～0.2mm，其他条件与3.2.1相同）。从图5可以看出，随着初始铬质量浓度的增大平衡吸附量增大，初始铬质量浓度较低时平衡吸附量的增大趋势明显，随着质量浓度变高，增大趋势趋于平缓。采用等温吸附模型Freundlich方程、Langmuir方程和Temkin方程进行模拟，求出各模型参数和相关系数，结果见表2。由表2数据可知，聚苯胺对六价铬的吸附比较符合Langmuir等温吸附模型，其相关系数最大。由该模型计算出的最大吸附量为150.38 mg／g。实验环境等因素对最大吸附量有影响，学生可通过改变吸附条件，以测得不同条件下聚苯胺对六价铬的最大吸附能力。另外，由于本文采用测量铬浓度方法的局限性，故初始铬的质量浓度比较大，如若采用分光光度法［12］、ICP等方法测定铬含量，可适当降低初始铬浓度。

图5 质量浓度对Cr（VI）吸附的影响

表2 等温吸附模型参数和相关系数

4 结论

（1）qt随吸附时间的增加而增大，2h后达到平衡；qe与铬的初始浓度和聚苯胺的粒径有关；聚苯胺对六价铬的吸附符合H0YS二级动力学模型和Lang－muir等温吸附模型，计算得单分子层最大吸附量为150.38mg／g。

（2）该综合实验涉及基本操作较多，如减压蒸馏、抽滤、过筛、滴定等，对于巩固学生的基础化学操作及基本理论有很大的帮助。

（3）实验方案可由学生自行查文献拟定，确定初始铬含量与吸附剂的比例、聚苯胺的粒径、吸附环境等条件，同时在利用氧化还原滴定法测定六价铬浓度时，也要求学生自行根据相应的滴定情况确定加入的滤液量，大大拓展了学生自主思考的空间。

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