聚芳醚腈对重金属及染料的吸附特性研究.pdf

摘要

聚合物材料因优异的热稳定性、结构可调性等优势被作为吸附剂应用于水处

理领域。聚芳醚腈（Polyaryleneethernitriles，PEN）作为一类性质稳定的高性能

聚合物材料，通过分子设计可对其结构进行调控，从而获得相应的功能性，以拓

展聚芳醚腈的应用。目前聚芳醚腈在电磁、荧光等领域都获得了显著的研究成果。

其中，在PEN侧链中引入羧酸、磺酸等亲水性基团可提高PEN的亲水性，从而提

高聚芳醚腈在水处理中的应用潜能。因此，本论文以侧链具有羧酸、磺酸基团的

功能性聚芳醚腈作为吸附材料，在具有高稳定性的聚芳醚腈结构基础上赋予其功

能性，探究其在处理含重金属离子及染料溶液中的应用。

首先，以氢醌磺酸钾、酚酞啉为二元酚单体，基于亲核取代缩聚反应合成侧

链含有羧酸和磺酸基团的功能性聚芳醚腈（SPEN），初步处理得到聚芳醚腈粉末，

并通过流延法和相转化法制备聚芳醚腈流延膜、相转化膜。聚芳醚腈粉末、流延

膜和相转化膜均具有优异的热稳定性，热失重5%温度皆高于410°C。此外，聚芳

醚腈相转化膜因其多孔结构而具有高亲水性，其吸水率达到223.6wt%。

其次，聚芳醚腈粉末、流延膜和相转化膜对所选取的重金属离子（Pb2+、Cd2+、

Cr3+）和染料（亚甲基蓝，MB；罗丹明B，RhB；甲基橙，MO；橙黄G，OG）

的吸附实验表明，三种聚芳醚腈材料中，聚芳醚腈相转化膜的吸附性能最高，其

对Pb2+和MB的平衡吸附容量分别为193.3mg/g和301.5mg/g。因此，选用聚芳醚

腈相转化膜、Pb2+和MB进行聚芳醚腈吸附动力学、吸附机理、循环吸附性能探究，

研究表明，聚芳醚腈相转化膜对Pb2+、MB的吸附分别符合准二级和准一级动力学

模型，整个吸附过程可分为膜表面吸附和膜孔内扩散两个阶段；聚芳醚腈相转化

膜主要通过其结构中游离的羧酸基团与吸附质的结合完成吸附；此外，聚芳醚腈

相转化膜解吸后表现出优秀的循环使用性能。

最后，以聚芳醚腈相转化膜为研究对象探究聚芳醚腈吸附性能的影响因素。

碱性环境有利于聚芳醚腈结构中功能性基团的电离，从而促进聚芳醚腈的吸附；

但高pH时Pb2+会发生沉淀，阻碍聚芳醚腈对Pb2+的吸附。此外，聚芳醚腈相转化

膜对Pb2+和MB的吸附都符合Langmuir等温线模型，即二者均为活性位点均匀的

单层吸附。并且，聚芳醚腈相转化膜对MB进行吸附的同时，从周围环境中吸收

热量，从而使反应更加无序，促进相转化膜对MB吸附反应的自发进行。此外，

向聚芳醚腈相转化膜中添加致孔剂后能够改变相转化膜的形貌（孔径及孔洞数量）、

接触角和吸水率，而相转化膜的孔洞孔径增大能够使吸附比表面积增大，促进吸

附性能的提高；但阳离子型表面活性剂作为致孔剂时，会占据聚芳醚腈结构中游

离的羧酸和磺酸基团，即占据聚芳醚腈的吸附位点，从而导致聚芳醚腈的吸附性

能降低。

关键词：聚芳醚腈，吸附性能，相转化膜，重金属离子，染料

ABSTRACT

Polymermaterialshavebeenusedasadsorbentsinthefieldofwatertreatment

becauseoftheexcellentthermalstabilityandstructuraladjustability.Poly(aryleneether

nitriles)(PEN),asaclassofhigh-performancepolymers,hastheadvantagesofhigh

thermalstabilityandstrongprocessability.ThestructureofPENcanbeadjusted

throughmoleculardesign,soastoobtaincorrespondingfunctionalitytoexpandthe

applicationofpolyaryleneethernitriles.Amongthem,theintroductionofhydrophilic

groupssuch