田碩 時(shí)冉冉 莫貞峰 濟(jì)南市畜產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)中心 山東濟(jì)南 250100

　　摘 要:氣凝膠材料的高孔隙率和大比表面積使其具有較好的吸附能力,對(duì)于水溶或水不溶物質(zhì)都有很好的吸附效果, 并可以重復(fù)使用多次而自身結(jié)構(gòu)不發(fā)生明顯變化。在眾多吸附劑中,具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的非金屬聚合物聚酰亞胺(PI)氣凝 膠作為新型的吸附劑,優(yōu)點(diǎn)十分突出:熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好,比表面積大,并且無(wú)毒,原料來(lái)源豐富,制備成型 工藝也簡(jiǎn)單。但是,利用超臨界干燥得到的PI氣凝膠雖然能維持高的比表面積和孔結(jié)構(gòu),但是其疏水性質(zhì)并不利于抗 生素的吸附。特別是我們常用的四環(huán)素類抗生素,包括金霉素(chlortetracycline)、土霉素(oxytetracycline)、四環(huán)素(tetracycline)及半合成衍生物甲烯土霉素、強(qiáng)力霉素、二甲胺基四環(huán)素等,其結(jié)構(gòu)均含有大量羥基和肽鍵,而疏水型的 PI氣凝膠對(duì)此類抗生素的吸附效果并不好。

　　關(guān)鍵詞:氣凝膠;表面親水處理;吸附研究展望

　　1.PI 氣凝膠的吸附性

　　為了增強(qiáng)材料的吸附性,科學(xué)家主要是通過一系列的手段之使與傳統(tǒng)吸附劑結(jié)合,如石墨烯、活性炭和沸石等 [1-2]。例如 Sui 等 [3] 制得的石墨烯 / 碳納米管氣凝膠具有更多的含氧官能團(tuán),促進(jìn)了污染物和吸附劑之間的靜電作用,提高了對(duì)污染物的吸附效果。理論上,這種催化劑與傳統(tǒng)吸附劑的結(jié)合會(huì)占用催化劑本身的一些吸附位點(diǎn),因此需要在吸附位點(diǎn)的減少和修飾帶來(lái)的吸附容量的增加之間權(quán)衡,以求達(dá)到最佳的吸附效果。

　　PI 氣凝膠本身既可以做光催化劑,又可以吸附污染物,故而不存在復(fù)合材料的解吸和擴(kuò)散速率問題。因此,以 PI 氣凝膠為吸附催化材料,構(gòu)建高效吸附降解體系,為快速、高效凈化 廢水提供了科學(xué)途徑。

　　2. 增強(qiáng) PI 氣凝膠吸附效果的方法

　　研究表明,氣凝膠表面氧化狀態(tài)有利于在吸附過程孔洞的浸潤(rùn),從而達(dá)到最高容量的吸附平衡 [4]。為了增強(qiáng) PI 薄膜的親水性,科學(xué)家先后通過酸堿處理、等離子處理、離子束和表面接枝等幾種不同的表面改性方法使 PI 薄膜表面與其他材料的粘接性能得到顯著提高。

這給我們提供了很好的借鑒意義。通過表面修飾使 PI 氣凝膠表面含有大量的羥基,在吸附抗生素分子的過程中,雙方均 具有形成氫鍵的給體和受體,吸附效果體現(xiàn)以氧鍵作用為主,可增強(qiáng)吸附效果。吸附速率是整個(gè)光催化過程的限制步驟,如果 吸附速率實(shí)現(xiàn)了有效提升,必將對(duì)催化效率起到促進(jìn)作用。

　　首先,以 ODA 與 PMDA 為反應(yīng)前驅(qū)體,經(jīng)過化學(xué)酰亞胺化和乙醇超臨界干燥技術(shù)制備出 PI 復(fù)合氣凝膠材料。

　　著重研究酰亞胺化過程的各實(shí)驗(yàn)參數(shù) ( 濃度、溫度、催化 劑、脫水劑 ) 和超臨界干燥工藝 ( 干燥壓力、溫度、保壓時(shí)間 ) 對(duì)復(fù)合材料孔結(jié)構(gòu) ( 孔隙率、孔分布和比表面積 ) 的影響,建立各實(shí)驗(yàn)參數(shù)與 PI 材料孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系,確定制備不同孔結(jié)構(gòu)的 PI 氣凝膠的工藝參數(shù)。然后在上述制備的 PI 氣凝膠的基礎(chǔ)上,采用簡(jiǎn)單易行的酸堿腐蝕改性技術(shù),在表面構(gòu)建適量的 C=O 和 -COOH 官能團(tuán),提高表面自由能,減小接觸角,提高潤(rùn)濕性。

　　其次,探討吸附過程最佳動(dòng)力學(xué)模型,通過動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析抗生素在 PI 吸附催化劑表面的吸附形式及過程,并得出 PI 氣凝膠對(duì)抗生素的最大吸附量。

　　研究氣凝膠與不同抗生素的接觸反應(yīng)規(guī)律,吸附過程界面反應(yīng)現(xiàn)象,揭示抗生素與 PI 氣凝膠的吸附位點(diǎn)和吸附形式。測(cè)定熱力學(xué)參數(shù),評(píng)估溫度對(duì)吸附速率的影響,優(yōu)選出適合抗生素吸附的最優(yōu)結(jié)構(gòu)的 PI 氣凝膠;建立 PI 氣凝膠 不同結(jié)構(gòu)(孔結(jié)構(gòu) / 表面官能團(tuán)含量)與吸附速率 / 最大吸附 量的關(guān)系,重點(diǎn)使用多種儀器表征手段從氣凝膠孔結(jié)構(gòu)、比表 面積及表面功能團(tuán)等方面探討吸附機(jī)理。

　　結(jié)語(yǔ)

　　PI 氣凝膠原料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉而且性質(zhì)穩(wěn)定、方便回 收利用,是良好的污染物吸附材料,適合工業(yè)化生產(chǎn)。高強(qiáng)度、高比表面積的柔性 PI 氣凝膠材料被廣泛應(yīng)用在能源、建筑等方面。在此基礎(chǔ)上,通過調(diào)節(jié)前驅(qū)體濃度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)制備得到不同孔結(jié)構(gòu)的 PI 氣凝膠材料,以適應(yīng)對(duì)目標(biāo)抗生素的選擇性吸附。

　　經(jīng)過表面修飾后的 PI 氣凝膠含有大量的 -COOH 和 -C=O 等親水基團(tuán),能與抗生素以氫鍵作用吸附在一起,故以表面修 飾的 PI 氣凝膠作為吸附催化劑,可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)抗生素的高效吸 附和催化。且這種 PI 氣凝膠在吸附催化目標(biāo)抗生素后可實(shí)現(xiàn)再生,有望實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。所以從理論上制得具有高效吸附效果的 PI 氣凝膠材料是可行的。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Wu S, Zhang K, Wang X, et al. Ehanced adsorption of cadmium ions by 3D sulfonated reduced graphene oxide, Chemical Engineering Journal, 2015, 262, 1292-1302.

　　[2] Zhao L, Yu B, Xue F, et al. Facile hydrothermal preparation of recyclable S-doped graphene sponge for Cu2+ adsorption, Journal of Hazardous materials, 2015, 286, 449-456.

　　[3] Sui Z, Meng Q, Zhang X, et al.Green synthesis of carbon nanotube- graphene hybrid aerogels and their use as versatile agents for water purification, Journal of Materials Chemistry, 2012, 22, 8767-8771.

　　[4] Park S, Lee E, Kwon S. et al. Influence of Surface Treatment of Polyimide Film on Adhesion Enhancement between Polyimide and Metal Films, Bulletin of the Korean Chemical Society, 2007, 28, 188-192.