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改性纳米ZnO/壳聚糖复合膜的制备及其对甲基橙的吸附

2020-01-30 来源:爱站旅游
导读改性纳米ZnO/壳聚糖复合膜的制备及其对甲基橙的吸附
第l6卷第l2期 V01.16.NO.12 宜宾学院学报 Journal of Yibin University 2016年12月 Dee. 2016 改性纳米ZnO/壳聚糖复合膜的制备 及其对甲基橙的吸附 张夏红,吕连川,余进坤 (龙岩学院化学与材料学院,福建龙岩364012) 摘要:用硝酸锌和氨水为原料,以均匀沉淀法制备纳米氧化锌,经四甲氧基硅烷表面改性后,加入l%壳聚糖溶液中,制得纳 米氧化锌/壳聚糖复合膜(ZnO—CTF),采用XRD、SEM、FT—IR和TG进行表征.结果表明ZnO为六方晶体结构,平均粒度为34 nm,表面积大,达到纳米级别;改性后的氧化锌晶型不变,衍射峰变窄,衍射强度变强,分散性良好.改性ZnO的最佳添加量为 0.15 g时成膜性能好,对甲基橙的吸附率可达90.9%,与纯壳聚糖膜(CTF)吸附甲基橙相比较,ZnO—CTF的吸附性能更好,吸附 率是CTF的3倍.ZnO与壳聚糖在ZnO—CTF对甲基橙的吸附中具有协同作用. 关键词:纳米氧化锌;壳聚糖膜;纳米氧化锌/壳聚糖复合膜;制备;吸附 中图分类号:0636.1 文献标志码:A 文章编号:1671—5365(2O16)12—01O3一O5 引用格式:张夏红,吕连川,余进坤.改性纳米ZnO/壳聚糖复合膜的制备及其对甲基橙的吸附fJ】.宜宾学院学报,2016,16(12):103—107. ZHANG XH.LO LC.YU JK.Preparation of Modiifed Nano—ZnO/Chitosan Composite Membrane and Its Adsorption of Methyl Orange [J].Journal of Yibin University,2016,16(12):103—107. Preparation of Modified Nano’。ZnO/Chitosan Composite Membrane and Its Adsorption of Methyl Orange ZHANG Xiahong,L0 Lianchuan,YU Jinkun (Department of Chemistry and Material Engineering,Longyan University,Longyan,Fuifan 364012,China) Abstract:Using zinc nitrate and ammonia as raw materials,nano zincoxide powder was prepared by homogeneous precipi— tation method.Nano—ZnO/chitosan composite membrane(ZnO—CTF)was prepared by adding amount of nano-ZnO modi- fied by tetramethoxysilane in 1%chitosan solution.XRD.SEM.FT—IR and TG were used to characterization.The results show that ZnO is hexagonal crystal structure,with an average particle size of 34 nm and large surface area;the modified ZnO with good dispersibility has the same hexagonal crystal structure but the diffraction peak becomes narrow and diffrac- tion intensity becomes strong.The optimum adding amount of modiied nano-ZnO is 0.f15 g with good film performance and 90.9%adsorption rate.Compared with the chitosan membrane(CTF),the adsorption performance of ZnO—CTF is stronger than that of CTF,the adsorption rate is 3 times of CTF.ZnO and chitosan have synergistic effect on ZnO—CTF ad— sorption of methyl orange. Keywords:nano——ZnO;chitosan;nano——ZnO/chitosan composite membrane;preparation;adsorption 壳聚糖是一种从虾、蟹和昆虫壳骨架中提取的 米ZnO也有光催化的作用p一,但是粉体材料较难回 碱性多糖,可再生的天然高分子材料.壳聚糖结构 收,易造成二次污染.将具有光催化活性的纳米ZnO 中的氨基和羟基使其具有比较高的反应活性,对重 与吸附容量大的壳聚糖复合制成膜,可以有效地利 金属离子、染料等的去除率高,而且无毒、易降解,在 用两者的优点,提高吸附性能,且膜易回收,不会造 化工、医药、食品、发酵、污水处理领域得到广泛应 成二次污染.本文利用经四甲氧基硅烷改性的纳米 用u~1.光催化氧化作为一项环境友好技术,在水处理 氧化锌和壳聚糖制备改性纳米氧化锌/壳聚糖复合 方面表现出很大的优势 ~,得到人们的广泛关注,纳 膜,并测试复合膜对甲基橙的吸附效果,结果表明改 收稿日期:2016—09—16 修回:2016—09—23 基金项目:龙岩市科技局重点计划项目(2015LY25) 第一作者:张夏红(1971一),女,副教授,硕士,研究方向为天然高分子、分析化学 网络出版时间:2016-09—23 22:00 网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20160923.2200.002.html 宜宾学院学报 第16誊 性纳米氧化锌成功负载:f复合膜,且复合膜吸附效 _果明 大于纯壳聚糖膜的吸附效果,利 价值高. SEM:s一3400Ⅱ电子.H捕 微镜对改性前Zn(J 和改性后ZnO进行检测. 红外光潜:KBr} 片,扫描波长为450~4500 nll1. TG:准确称取样品10 mg,采川NE I'ZS('H A 449F3 STA449 ̄ 3A一0717一M分析仪测定,升温速度 l5 ̄C/min,通入N!后温度从50 J】I1热至800 ,流量 为20 mL/min. 1.2.5吸附实验 1 实验部分 1.1主要仪器和试剂 仪器:DX一2700型x射线衍射仪(丹东方圆仪 器有限公司).S一3400Ⅱ电子扫描 微镜(日本日立 公司),STA 449F3热重分析仪(德同耐驰仪器制造 有限公司),js10型傅里叶红外光谱仪(Thermo Fish— 一『伴确称取一定质量的复合膜置于烧杯叶1,加入 定量的甲基橙溶液,于窄温下以一定搅拌速度吸 附一一定时问,取上层清液,测定溶液 463 Ilnl(q J基 橙溶液的最大吸收峰)的吸光度A,…基橙吸附牢 汁算公式为: er);U一190l双光束紫外可见光光度计(北京普析通 用仪器有限公司). 试剂:壳聚糖(脱乙酰度>90.0%,分析纯),四 甲氧基硅烷(分析纯).六水合硝酸锌(分析纯),其余 试剂均为分析纯. 1.2实验方法 1.2.1 纳米氧化锌的制备 Q=(A【l—A)/A ,> 1()()% 式巾Q表示吸附率(%1,A 为吸附前rP錾橙溶液的 吸光度, 为吸附后甲基橙溶液的吸光度. 称取29.749 g六水合硝酸锌溶于1 000 m1 蒸馏 水中,加入20 mL聚乙二醇,于60 搅拌均匀后逐滴 2结果 讨论 缓慢的加入氨水,至溶液pH=8.升温至8()℃搅拌 2.1 纳米氧化锌的改性 2 I1,经离心、洗涤、抽滤后,100 oC干燥8 l 得白色粉 由于受纳米氧化锌小身的 寸效应、表 效应 末,在马弗炉巾450 烧制2 h得纳米氧化锌 . 1.2.2改性纳米氧化锌 等 素的影响,纳米氧化锌与壳聚糖 接结合成复 合膜具有一定的困难,i 且影响实际的功效, 此需 Zn()的XRD和SEM如图1和 2所示. 17000 16000 15000 将5 g纳米氧化锌溶于50 mL无水乙醇叶l,加入 要对纳米氧化锌进行表面改性处理.改性前后纳米 3 mL的四甲氧基硅烷,40c【=搅拌5 h后经洗涤、抽滤, l00 1 燥8 11得改性纳米氧化锌”1-1 21. 1-2_3 纳米氧化锌/壳聚糖复合膜的制备 】%壳聚糖溶液:称取3 g壳聚糖粉未,放入300 mL 1%冰醋酸溶液中,60 恒温搅拌3 I1.至壳聚糖 完全溶解. ∽14000 13000 12000 11000 占10000 >、9000 8000 壳聚糖膜(CTF):准确量取40 mL壳聚糖溶液 r}1加入1 mI 甘油.混合均匀后倒入100 tilln培养皿 ff1,l'l然十燥成膜.用0.J%NaOH溶液浸泡1 h将膜 脱 . 尝7000 —6000 改性纳米氧化锌/壳聚糖复合膜(ZnO—CTF):称 取一定量的改性纳米氧化锌于10 mL蒸馏水中搅拌 均匀后,缓慢加入与甘油混合均匀的40 mL壳聚糖 溶液,搅拌至纳米氧化锌完伞溶解后继续搅拌2 h, 将混合液倒人lO0 illnl培养皿中,自然干燥成膜.用 0.1%NaOH溶液浸泡1 h将膜脱m. 1.2-4检测表征 I冬l 1 改 后铽化锌的XRI)I冬I谱 XRD:步进扫描,使用cu靶,测试角度为l0。~ 8()。,管电压为30 kV,管电流25 nlA,扫描速度为 ().03 o . I 2改性前纳水钒化钟( )fII改卅! 纳水 化ff-( ̄i)SEM It'l 第12期 张夏红,吕连川,余进坤:改性纳米 0/壳聚糖复合膜的制备及其对甲基橙的吸附 10 g至 由网1可知,改性和未改性纳米氧化锌的XRD 膜,结果如表1所示.在氧化锌添加量为0.f汀射图谱巾,在20角为31.839 8。、34.539 8。、 36.339 8。、47.619 8。、56.679 8。、62.979 8。、68.019 7。 0.18 g时,混合后溶液透明,经干燥后可制得透明复 合膜如图3b所示,而在氧化锌添加量为0.19 g时,混 处均出现了衍射峰,经与标准卡片JCPDS 72239对 合后溶液带有白色针状物,经干燥后为针状固体,当 照,均为六方晶体结构,说明氧化锌经过四甲氧基硅 氧化锌含量大于0.19 g时,得到白色凝胶状物质,经 烷偶联剂表面修饰后未改变纳米ZnO晶型.但是改 干燥后为白色固体,如图3a所示.由此可知氧化锌  性后ZnO的衍射峰发生了一定的变化,其衍射峰变 的添加量不能超过0.18 g,否则无法成膜.窄.衍射强度增强,说明四甲氧基硅烷与ZnO粒子之 间产生了键合作用,且纳米颗粒团聚尺度减小.由 网2可知,纳米氧化锌表面积明显增大,利用谢乐公 式一XRD品粒计算便捷软件求得粒度为34 nm,达到 纳米级别. 2.2氧化镩赁聚糖复合膜的制备 2.2.1 不同ZnO含量的复合膜制备 在壳聚糖溶液中加入不同含量的ZnO制取复合 表I 不 ZnO含 的复合膜制备 同3白色凝胶(a)和复合膜(b) 2.2.2不同氧化锌含量复合膜的吸附 吸附实验方法,间隔一段aCf ̄q再测试吸光度的变化, 分别称取氧化锌含量不同的复合膜0.10 g,按照 吸附率计算结果列于表2 橙的吸附效果(吸附率,%) 农2小同ZnO含 的复合膜对10 mg/L 从表2可以看出,随着吸附时间的延长,对甲基 2.2.3 氧化锌/壳聚糖复合膜和壳聚糖膜的吸附性 橙的吸附率在逐渐升高,50 min后基本吸附率变化 不大.当ZnO含量逐渐增加时,吸附率随着变大,但 当ZnO含量达到0.150 g和0.160 g时,吸附60 min时 能对比 分别取0.10 g的纯壳聚糖膜和复合膜对10 mg/L 甲基橙溶液进行吸附试验,结果如图4所示.由图4 吸附率可达到90.9%和90.7%,相差不大,而ZnO含 可见60 min后,纯壳聚糖膜吸附率为31%,复合膜吸 量为0.170 g时,吸附率开始下降.因此,ZnO的最佳 附率为9l%,可见复合膜的吸附效果比壳聚糖膜的 添加量为0.1 50 g,与壳聚糖成膜性最好且吸附率高. 吸附效果明显 1,可达到3倍. 宜宾学院学报 第16卷 ∞∞{时间/min 图4纯壳聚糖和复合膜对甲基橙的吸附 2.3复合膜的表征 2.3.1红外分析 图5是壳聚糖膜、吸附前复合膜、吸附后复合膜 的红外谱图.由图5可知,壳聚糖的特征吸收峰主要 有3452 cm (一NH 伸展),2922 cm (一CH 伸缩), 1641 am 和1384 am 两个酰胺峰,以及1087 cm 羟 基峰.氧化锌/壳聚糖复合膜的图谱中增加一个432 am 的小峰,此峰对应于ZnO的特征吸收峰[15-16 , 1641 cm 的酰胺峰发生蓝移到了1560 cm~,1087 cm 的羟基峰变大了,表明纳米氧化锌和壳聚糖混 合成膜,制得的膜为纳米氧化锌/壳聚糖复合膜.吸 附过甲基橙相对于未吸附过甲基橙的纳米氧化锌/ 壳聚糖复合膜,1560 am 这个酰胺的峰发生红移出 现在了1640 am~,1075 am 的羟基峰变小了,甚至比 纯壳聚糖膜的峰都小,在吸附过甲基橙之后,在432 cm 处峰变弱至消失,说明ZnO介入壳聚糖的几个 位点在吸附甲基橙后又有变化,意味着ZnO在吸附 甲基橙的过程中有一定作用. 图5壳聚糖膜、吸附前复合膜、吸附后复合膜红外谱图 2-3.2 TG分析 图6是吸附前后氧化锌/壳聚糖的TG分析曲 线.从图6可看出,未吸附甲基橙前复合膜的热分解 过程包括两个阶段,第一阶段从20℃到135 cC,失重 21%,第二阶段从266 oC到476℃,失重24%.吸附过 甲基橙的复合膜热分解也包括两个阶段:第一阶段 从2O cc到240。C,失重28%;第二阶段从266 到 476 oC,失重25%.两者的第一阶段失重主要由于水 分和醋酸溶剂的挥发;在第二阶段,吸附前的ZnO— CTF失重率小于吸附后的,这是由于吸附了甲基橙 的原因. 温度/ ̄C 图6吸附前和吸附后氧化锌,壳聚糖的TG分析曲线 3结论 (1)用六水合硝酸锌、氨水为主要原料,聚乙二 醇为分散剂,采用液相法中的均匀沉淀法所制备的 氧化锌,结晶效果好,平均粒度为34 nm,表面积大, 达到纳米级别. (2)经四甲氧基硅烷改性过的纳米氧化锌被四 甲氧基硅烷所包裹,而且氧化锌的衍射峰变宽,衍射 强度变强,分散性良好. (3)改性后的ZnO加人量为0.15 g时,成膜性能 与吸附甲基橙的效果均表现良好.氧化锌/壳聚糖复 合膜对甲基橙的吸附效果比壳聚糖对甲基橙的吸附 效果明显. 参考文献: 【1】DASH M,CHIELLIN1 E OTYENBRITE R M,et a1.Chitosan— A versatile semi—synthetic polymer in biomedical applications [J]_Progress in polymer science,2011,36(8):981—1014.doi: 10.10160.progpolymsci.201 1.02.001. [2]MOURYA V K,INAMDAR N N.Chitosan—modiifcations and applications:opportunities galore[J].Reactive and Functional polmyers,2008,68(6):1013—1051.doi:10.10166.reactfunct— polym.2008.03.002. 【3】RIVA R,RAGELLE H,DES RIEUX,et a1.Chitosan and chito一 第l2期 张夏红,吕连川,余进坤:改性纳米zn0/壳聚糖复合膜的制备及其对甲基橙的吸附 107 Adv san derivatives in drug delivery and tissue engineering[J] Polym Sci,2011,244:19—44.doi:10.1007/12201l137. _一[91汤皎宁,龚晓钟,李均钦.均匀沉淀法制备纳米氧化锌的研 究[J】.无机材料学报,2006,2l(1):65-69. 【10】王久亮.纳米级氧化锌制备技术研究进展[J].硝酸盐通报, 2004(5):58—60. [4]赵丽,王萍.壳聚糖去除废水重金属离子的研究【J】.净水技 术,2005,24(5):27-29. 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