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2020-09(下)表面亲水处理的聚酰亚胺(PI)气凝胶 对四环素类抗生素的吸附研究

2020-10-28 16:14:44来源: 《中国食品工业》

  田硕 时冉冉 莫贞峰 济南市畜产品质量安全监测中心 山东济南 250100

  摘 要:气凝胶材料的高孔隙率和大比表面积使其具有较好的吸附能力,对于水溶或水不溶物质都有很好的吸附效果, 并可以重复使用多次而自身结构不发生明显变化。在众多吸附剂中,具有独特结构的非金属聚合物聚酰亚胺(PI)气凝 胶作为新型的吸附剂,优点十分突出:热稳定性和化学稳定性好,比表面积大,并且无毒,原料来源丰富,制备成型 工艺也简单。但是,利用超临界干燥得到的PI气凝胶虽然能维持高的比表面积和孔结构,但是其疏水性质并不利于抗 生素的吸附。特别是我们常用的四环素类抗生素,包括金霉素(chlortetracycline)、土霉素(oxytetracycline)、四环素(tetracycline)及半合成衍生物甲烯土霉素、强力霉素、二甲胺基四环素等,其结构均含有大量羟基和肽键,而疏水型的 PI气凝胶对此类抗生素的吸附效果并不好。

  关键词:气凝胶;表面亲水处理;吸附研究展望

  1.PI 气凝胶的吸附性

  为了增强材料的吸附性,科学家主要是通过一系列的手段之使与传统吸附剂结合,如石墨烯、活性炭和沸石等 [1-2]。例如 Sui 等 [3] 制得的石墨烯 / 碳纳米管气凝胶具有更多的含氧官能团,促进了污染物和吸附剂之间的静电作用,提高了对污染物的吸附效果。理论上,这种催化剂与传统吸附剂的结合会占用催化剂本身的一些吸附位点,因此需要在吸附位点的减少和修饰带来的吸附容量的增加之间权衡,以求达到最佳的吸附效果。

  PI 气凝胶本身既可以做光催化剂,又可以吸附污染物,故而不存在复合材料的解吸和扩散速率问题。因此,以 PI 气凝胶为吸附催化材料,构建高效吸附降解体系,为快速、高效净化 废水提供了科学途径。

  2. 增强 PI 气凝胶吸附效果的方法

  研究表明,气凝胶表面氧化状态有利于在吸附过程孔洞的浸润,从而达到最高容量的吸附平衡 [4]。为了增强 PI 薄膜的亲水性,科学家先后通过酸碱处理、等离子处理、离子束和表面接枝等几种不同的表面改性方法使 PI 薄膜表面与其他材料的粘接性能得到显著提高。

这给我们提供了很好的借鉴意义。通过表面修饰使 PI 气凝胶表面含有大量的羟基,在吸附抗生素分子的过程中,双方均 具有形成氢键的给体和受体,吸附效果体现以氧键作用为主,可增强吸附效果。吸附速率是整个光催化过程的限制步骤,如果 吸附速率实现了有效提升,必将对催化效率起到促进作用。

  首先,以 ODA 与 PMDA 为反应前驱体,经过化学酰亚胺化和乙醇超临界干燥技术制备出 PI 复合气凝胶材料。

  着重研究酰亚胺化过程的各实验参数 ( 浓度、温度、催化 剂、脱水剂 ) 和超临界干燥工艺 ( 干燥压力、温度、保压时间 ) 对复合材料孔结构 ( 孔隙率、孔分布和比表面积 ) 的影响,建立各实验参数与 PI 材料孔结构的关系,确定制备不同孔结构的 PI 气凝胶的工艺参数。然后在上述制备的 PI 气凝胶的基础上,采用简单易行的酸碱腐蚀改性技术,在表面构建适量的 C=O 和 -COOH 官能团,提高表面自由能,减小接触角,提高润湿性。

  其次,探讨吸附过程最佳动力学模型,通过动力学参数分析抗生素在 PI 吸附催化剂表面的吸附形式及过程,并得出 PI 气凝胶对抗生素的最大吸附量。

  研究气凝胶与不同抗生素的接触反应规律,吸附过程界面反应现象,揭示抗生素与 PI 气凝胶的吸附位点和吸附形式。测定热力学参数,评估温度对吸附速率的影响,优选出适合抗生素吸附的最优结构的 PI 气凝胶;建立 PI 气凝胶 不同结构(孔结构 / 表面官能团含量)与吸附速率 / 最大吸附 量的关系,重点使用多种仪器表征手段从气凝胶孔结构、比表 面积及表面功能团等方面探讨吸附机理。

  结语

  PI 气凝胶原料来源丰富、价格低廉而且性质稳定、方便回 收利用,是良好的污染物吸附材料,适合工业化生产。高强度、高比表面积的柔性 PI 气凝胶材料被广泛应用在能源、建筑等方面。在此基础上,通过调节前驱体浓度等实验参数制备得到不同孔结构的 PI 气凝胶材料,以适应对目标抗生素的选择性吸附。

  经过表面修饰后的 PI 气凝胶含有大量的 -COOH 和 -C=O 等亲水基团,能与抗生素以氢键作用吸附在一起,故以表面修 饰的 PI 气凝胶作为吸附催化剂,可实现对目标抗生素的高效吸 附和催化。且这种 PI 气凝胶在吸附催化目标抗生素后可实现再生,有望实现重复利用。所以从理论上制得具有高效吸附效果的 PI 气凝胶材料是可行的。

  参考文献

  [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.



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