删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

聚多巴胺/聚乙烯亚胺复合非织造布/Fe2+活化过硫酸盐催化氧化酸性红B的效果分析

本站小编 Free考研考试/2021-12-31

秦文欣1,
张环1,2,,,
李欣1,
胥京福1,
屈静1,
吴茜1
1.天津工业大学环境科学与工程学院,天津 300387
2.天津工业大学,省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室,天津 300387
作者简介: 秦文欣(1994—),女,硕士研究生。研究方向:功能材料及应用。E-mail:923769710@.qq.com.
通讯作者: 张环,zhanghuan@tiangong.edu.cn ;

中图分类号: X703


Effect analysis of catalytic oxidation of acid red B by polydopamine/ polyethyleneimine nonwoven/Fe2+ activated persulfate

QIN Wenxin1,
ZHANG Huan1,2,,,
LI Xin1,
XU Jingfu1,
QU Jing1,
WU Qian1
1.School of Environmental Science and Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China
2.State Key Laboratory of Separation Membranes and Membrane Processes, Tiangong University, Tianjin 300387, China
Corresponding author: ZHANG Huan,zhanghuan@tiangong.edu.cn ;

CLC number: X703

-->

摘要
HTML全文
(9)(0)
参考文献(23)
相关文章
施引文献
资源附件(0)
访问统计

摘要:以聚丙烯(PP)非织造布为基体,采用多巴胺聚乙烯亚胺共沉积法制备了聚多巴胺/聚乙烯亚胺复合非织造布(PDA/PEI@PP),研究了PDA/PEI@PP在Fe2+活化过硫酸盐(PS)降解酸性红B(ARB)的中的性能和反应机理。通过SEM对材料结构进行了表征,考察了不同体系(PS、PDA/PEI@PP/PS、Fe2+/PS和PDA/PEI@PP/Fe2+/PS)中ARB的降解效果,通过电子自旋共振波谱(ESR)和傅里叶红外光谱(FT-IR)分析了PDA/PEI@PP活化PS及自由基生成的机理,此外,考察了PDA/PEI@PP对Fe3+的还原作用。结果表明:PDA/PEI@PP非织造材料具有贯穿的孔道结构,利于PDA/PEI@PP表面官能团对PS的活化;PDA/PEI@PP对Fe2+/PS体系的催化氧化具有促进作用,当Fe2+初始浓度为0.5 mmol·L?1时,90 min内对ARB的降解率为98%,反应速率常数为0.040 min?1;在不添加Fe2+的情况下,PDA/PEI@PP可直接活化PS产生自由基降解ARB,降解率为56%;PDA/PEI@PP表面的邻苯二酚基团与邻醌基反应生成半醌,从而活化PS产生硫酸根自由基($ {\rm{SO}}_4^{ \cdot - } $)和羟基自由基(·OH);同时PDA/PEI@PP表面的邻苯二酚基团也对Fe3+具有还原作用,生成Fe2+持续活化PS。因此,PDA/PEI@PP对于Fe2+活化PS的促进作用主要是通过PDA/PEI@PP对PS协同活化和对Fe3+的还原作用来实现的。本研究为进一步提高Fe2+活化PS氧化降解染料废水的效率提供了一种较好的解决方案。
关键词: 聚多巴胺/聚乙烯亚胺复合非织造布(PDA/PEI@PP)/
邻苯二酚基团/
邻醌基/
Fe2+/
过硫酸盐/
酸性红B

Abstract:In this study, polypropylene (PP) nonwoven was taken as matrix, the co-deposition method of dopamine and polyethyleneimine was used to prepare the polydopamine/polyethyleneimine-functionalized polypropylene nonwoven (PDA/PEI@PP). The performance and mechanism of PDA/PEI@PP on Fe2+ activated persulfate (PS) and degrading acid red B (ARB) were studied. SEM was used to characterize the PDA/PEI@PP material. The ARB degradation effects in different systems of PS, PDA/PEI@PP/PS, Fe2+/PS and PDA/PEI@PP/Fe2+/PS were also studied. Electron spin-resonance spectroscopy (ESR) and Fourier transform infrared (FT-IR) were used to identify the mechanism of PDA/PEI@PP activated PS and radicals formation. In addition, the reduction of Fe3+ by PDA/PEI@PP was investigated. The results showed that the throughout pore structure was presented in PDA/PEI@PP nonwoven material, which facilitated PS activation by the surface functional groups of PDA/PEI@PP. PDA/PEI@PP could promote the catalytic oxidation of Fe2+/PS system, the degradation rate of ARB could reach 98% within 90 min when the initial content of Fe2+ was 0.5 mmol·L?1, and the reaction rate constant was 0.040 min?1. Without the addition of Fe2+, PDA/PEI@PP could directly activate PS, produce radicals for ARB degradation with a rate of 56%. On the surface of PDA/PEI@PP, the catechol groups reacted with o-quinone groups to produce semiquinone, which could activate PS and produce sulfate radical ($ {\rm{SO}}_4^{ \cdot - } $) and hydroxyl radical (·OH). At the same time, the catechol groups on the surface of PDA/PEI@PP also could reduce the Fe3+ to Fe2+, which could sustainably activate PS. Therefore, the promoting effects of PDA/PEI@PP on Fe2+ activated PS are mainly due to the synergetic activation of PS and Fe3+ reduction by PDA/PEI@PP. The study provides a better solution for further improving the efficiency of oxidation degradation of dye wastewater by Fe2+ activated PS.
Key words:polydopamine/polyethyleneimine-functionalized polypropylene nonwoven(PDA/PEI@PP)/
catechol group/
o-quinone group/
ferrous iron/
persulfate/
acid red B.

加载中

图1PP非织造材料和PDA/PEI@PP材料扫描电镜图
Figure1.SEM images of the PP nonwoven materials and PDA/PEI@PP materials


下载: 全尺寸图片幻灯片


图2不同反应体系对ARB降解性能和PS分解性能的影响
Figure2.Effects of different reaction systems on ARB degradation performance and PS decomposition performance


下载: 全尺寸图片幻灯片


图3催化反应动力学分析
Figure3.Kinetics analysis of catalytic reaction


下载: 全尺寸图片幻灯片


图4不同体系反应溶液中氧化性自由基的ESR图谱
Figure4.ESR spectra of oxidative radicals in reaction solutions of different systems


下载: 全尺寸图片幻灯片


图5PDA/PEI@PP/PS反应溶液中氧化性自由基的ESR图谱
Figure5.ESR spectra of oxidative radicals in PDA/PEI@PP/PS reaction solution


下载: 全尺寸图片幻灯片


图6PDA/PEI@PP活化PS前后FT-IR谱图
Figure6.FT-IR spectra before and after PDA/PEI@PP activation PS


下载: 全尺寸图片幻灯片


图7PDA/PEI@PP对Fe3+的还原
Figure7.Fe3+ reduction by PDA/PEI@PP


下载: 全尺寸图片幻灯片


图8PDA/PEI@PP对Fe2+/PS体系促进作用机制
Figure8.Promotion mechanism of PDA/PEI@PP on Fe2+/PS system


下载: 全尺寸图片幻灯片


图9PDA/PEI@PP循环使用次数对ARB降解的影响
Figure9.Effects of PDA/PEI@PP cycle times on ARB degradation


下载: 全尺寸图片幻灯片


[1] XIAO R, LUO Z, WEI Z, et al. Activation of peroxymonosulfate/persulfate by nanomaterials for sulfate radical-based advanced oxidation technologies[J]. Current Opinion in Chemical Engineering, 2018, 19: 51-58. doi: 10.1016/j.coche.2017.12.005
[2] 高焕方, 龙飞, 曹园城, 等. 新型过硫酸盐活化技术降解有机污染物的研究进展[J]. 环境工程学报, 2015, 9(12): 5659-5664. doi: 10.12030/j.cjee.20151202
[3] GUO Y G, ZHOU J, LOU X Y, et al. Enhanced degradation of tetrabromobisphenol a in water by a UV/base/persulfate system: Kinetics and intermediates[J]. Chemical Engineering Journal, 2014, 254: 538-544. doi: 10.1016/j.cej.2014.05.143
[4] 王继鹏, 胡林潮, 杨彦, 等. Fe2+活化过硫酸钠降解1,2-二氯苯[J]. 环境工程学报, 2014, 8(9): 3767-3772.
[5] 栾海彬, 杨立翔, 鲁帅, 等. 热活化过硫酸盐对双酚A的降解及其机理[J]. 环境工程学报, 2016, 10(5): 2459-2464. doi: 10.12030/j.cjee.201412139
[6] FANG G, GAO J, DIONYSIOU D D, et al. Activation of persulfate by quinones: Free radical reactions and implication for the degradation of PCBs[J]. Environmental Science & Technology, 2013, 47(9): 4605-4611.
[7] AHMAD M, TEEL A L, WATTS R J. Mechanism of persulfate activation by phenols[J]. Environmental Science & Technology, 2013, 47(11): 5864-5871.
[8] LIN Y T, CHIU Y T, CIOU C, et al. Natural organic activator quercetin for persulfate oxidative degradation of halogenated hydrocarbons[J]. Environmental Science: Water Research & Technology, 2019, 5(6): 1064-1071.
[9] HOUSE D A. Kinetics and mechanism of oxidations by peroxydisulfate[J]. Chemical Reviews, 1962, 62(3): 185-203. doi: 10.1021/cr60217a001
[10] JIANMING L, ROSOKHA S V, NERETIN I S, et al. Quinones as electron acceptors. X-ray structures, spectral (EPR, UV-vis) characteristics and electron-transfer reactivities of their reduced anion radicals as separated vs contact ion pairs[J]. Journal of the American Chemical Society, 2006, 128(51): 16708-16719. doi: 10.1021/ja066471o
[11] LEEDEN V D, MIEKE C. Are conformational changes, induced by osmotic pressure variations, the underlying mechanism of controlling the adhesive activity of mussel adhesive proteins?[J]. Langmuir, 2005, 21(24): 11373-11379. doi: 10.1021/la0515468
[12] LEE H, DELLATORE S M, MILLER W M, et al. Mussel-inspired surface chemistry for multifunctional coatings[J]. Science, 2007, 318(5849): 426-430. doi: 10.1126/science.1147241
[13] DU S, LIAO Z J, QIN Z L, et al. Polydopamine microparticles as redox mediators for catalytic reduction of methylene blue and rhodamine B[J]. Catalysis Communications, 2015, 72: 86-90. doi: 10.1016/j.catcom.2015.09.020
[14] ZHAO C X, ZUO F, LIAO Z J, et al. Mussel-inspired one-pot synthesis of a fluorescent and water-soluble polydopamine-polyethyleneimine copolymer[J]. Macromolecular Rapid Communications, 2015, 36(10): 909-915. doi: 10.1002/marc.201500021
[15] LENG Y Q, GUO W L, SHI X, et al. Degradation of rhodamine B by persulfate activated with Fe3O4: Effect of polyhydroquinone serving as an electron shuttle[J]. Chemical Engineering Journal, 2014, 240: 338-343. doi: 10.1016/j.cej.2013.11.090
[16] D'ISCHIA M, NAPOLITANO A, PEZZELLA A, et al. Chemical and structural diversity in eumelanins: Unexplored bio-optoelectronic materials[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2009, 48(22): 3914-3921. doi: 10.1002/anie.200803786
[17] LIANG C J, HUANG C F, MOHANTY N, et al. A rapid spectrophotometric determination of persulfate anion in ISCO[J]. Chemosphere, 2008, 73(9): 1543.
[18] ZHAO D, LIAO X Y, YAN X L, et al. Effect and mechanism of persulfate activated by different methods for PAHs removal in soil[J]. Journal of Hazardous Materials, 2013, 254-255: 228-235. doi: 10.1016/j.jhazmat.2013.03.056
[19] FANG G D, DIONYSIOU D D, ZHOU D M, et al. Transformation of polychlorinated biphenyls by persulfate at ambient temperature[J]. Chemosphere, 2013, 90(5): 1573-1580. doi: 10.1016/j.chemosphere.2012.07.047
[20] WU M B, YANG H C, WANG J J, et al. Janus membranes with opposing surface wettability enabling oil-to-water and water-to-oil emulsification[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9(6): 5062-5066.
[21] 翁诗甫, 徐怡庄. 傅里叶变换红外光谱分析[M]. 3版. 北京: 化学工业出版社, 2016.
[22] SHURYGINA M P, KURSKII YU A, CHESNOKOV S A, et al. O-benzoquinone photoreduction products in the presence of N,N-dimethylanilines[J]. Russian Chemical Bulletin, 2006, 55(9): 1585-1592. doi: 10.1007/s11172-006-0458-x
[23] CHEN R Z, PIGNATELLO J J. Role of quinone intermediates as electron shuttles in fenton and photoassisted Fenton oxidations of aromatic compounds[J]. Environmental Science & Technology, 1997, 31(8): 2399-2406.



加载中


Turn off MathJax -->
WeChat 点击查看大图



图( 9)
计量

文章访问数:1403
HTML全文浏览数:1403
PDF下载数:43
施引文献:0
出版历程

收稿日期:2020-01-13
录用日期:2020-03-07
网络出版日期:2020-12-08
-->刊出日期:2020-12-10




-->








聚多巴胺/聚乙烯亚胺复合非织造布/Fe2+活化过硫酸盐催化氧化酸性红B的效果分析

秦文欣1,
张环1,2,,,
李欣1,
胥京福1,
屈静1,
吴茜1
通讯作者: 张环,zhanghuan@tiangong.edu.cn ;
作者简介: 秦文欣(1994—),女,硕士研究生。研究方向:功能材料及应用。E-mail:923769710@.qq.com 1.天津工业大学环境科学与工程学院,天津 300387
2.天津工业大学,省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室,天津 300387
收稿日期: 2020-01-13
录用日期: 2020-03-07
网络出版日期: 2020-12-08
关键词: 聚多巴胺/聚乙烯亚胺复合非织造布(PDA/PEI@PP)/
邻苯二酚基团/
邻醌基/
Fe2+/
过硫酸盐/
酸性红B
摘要:以聚丙烯(PP)非织造布为基体,采用多巴胺聚乙烯亚胺共沉积法制备了聚多巴胺/聚乙烯亚胺复合非织造布(PDA/PEI@PP),研究了PDA/PEI@PP在Fe2+活化过硫酸盐(PS)降解酸性红B(ARB)的中的性能和反应机理。通过SEM对材料结构进行了表征,考察了不同体系(PS、PDA/PEI@PP/PS、Fe2+/PS和PDA/PEI@PP/Fe2+/PS)中ARB的降解效果,通过电子自旋共振波谱(ESR)和傅里叶红外光谱(FT-IR)分析了PDA/PEI@PP活化PS及自由基生成的机理,此外,考察了PDA/PEI@PP对Fe3+的还原作用。结果表明:PDA/PEI@PP非织造材料具有贯穿的孔道结构,利于PDA/PEI@PP表面官能团对PS的活化;PDA/PEI@PP对Fe2+/PS体系的催化氧化具有促进作用,当Fe2+初始浓度为0.5 mmol·L?1时,90 min内对ARB的降解率为98%,反应速率常数为0.040 min?1;在不添加Fe2+的情况下,PDA/PEI@PP可直接活化PS产生自由基降解ARB,降解率为56%;PDA/PEI@PP表面的邻苯二酚基团与邻醌基反应生成半醌,从而活化PS产生硫酸根自由基($ {\rm{SO}}_4^{ \cdot - } $)和羟基自由基(·OH);同时PDA/PEI@PP表面的邻苯二酚基团也对Fe3+具有还原作用,生成Fe2+持续活化PS。因此,PDA/PEI@PP对于Fe2+活化PS的促进作用主要是通过PDA/PEI@PP对PS协同活化和对Fe3+的还原作用来实现的。本研究为进一步提高Fe2+活化PS氧化降解染料废水的效率提供了一种较好的解决方案。

English Abstract






--> --> --> 基于硫酸根自由基($ {\rm{SO}}_4^{ \cdot - } $)的高级氧化技术具有选择性小、反应条件温和、高效、快速等优势,已引起国内外****的广泛关注[1-2]。过硫酸盐(PS)在过渡金属、碱、热等作用下,可激发过硫酸盐中的过氧基(—O—O—)产生硫酸根自由基[3-5]。过渡金属中的Fe2+因来源广泛、环境友好,因此,Fe2+活化是目前研究最多的一种活化方法。Fe2+活化PS也具有一些局限性,在加入少量Fe2+后,Fe2+被快速氧化成Fe3+,无法再生,故不利于反应持续有效地进行;但增加Fe2+的用量,会导致体系中自由基的淬灭反应。因此,Fe2+/PS体系中可引入具有还原性的物质,以保证PS活化过程持续有效进行。
近年来,一些含有氧化敏感型官能团结构的有机物如(醌类[6]、酚类[7-8]、醇类[9])被证实对过硫酸盐具有活化作用。而这些有机化合物主要是通过自身含氧官能团电子的得失,形成苯氧自由基,从而引发电子转移激活PS。FANG等[6]的研究表明,在一定条件下,对苯醌与对苯酚之间通过电子的转移,可生成具有活化PS作用的半醌自由基(HQ·)。邻苯醌在水相中有类似于对醌的3种形态:完全还原态(H2Q)、中间氧化态(HQ·)、完全氧化态(Q)[10]。多巴胺(DA)是一种具有邻苯二酚结构的有机化合物,可通过氧化自聚形成具有酚醌结构的聚多巴胺[11-12],其酚醌之间也可进行电子转移[13],可促进PS的活化生成硫酸根自由基。
本研究以PP非织造材料为基体,采用多巴胺(DA)和聚乙烯亚胺(PEI)共沉积法制备了PDA/PEI@PP材料,多巴胺和聚乙烯亚胺可通过交联共沉积作用附着在固体表面[14],制备得到稳定性好、亲水性强且具有酚醌共存结构的复合材料。LENG等[15]的研究表明,具有电子穿梭作用的苯二酚对Fe3+具有还原作用,而PDA/PEI@PP表面也具有邻苯二酚结构[14, 16],对Fe3+可能具有一定的还原作用。因此,本研究将PDA/PEI@PP引入Fe2+活化过硫酸盐体系中,考察了同时具有邻苯醌和邻苯二酚结构的PDA/PEI@PP材料对Fe2+/PS体系的协同催化活化性能及相关的机理,探讨了PDA/PEI@PP材料在过硫酸体系中对Fe3+的还原作用,旨在为提高Fe2+活化PS氧化降解污染物提供一种新途径。

主要原料与试剂:聚丙烯非织造布(PP)为工业级;多巴胺(DA)、三羟甲基-氨基甲烷(Tris)、聚乙烯亚胺(PEI)、过硫酸钠(Na2S2O8,PS)、七水合硫酸亚铁、三氯化铁(无水)、酸性红B(acid red B,ARB)、碘化钾(KI)、碳酸氢钠、氢氧化钠、浓硫酸、盐酸、5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物(DMPO)、邻菲罗啉、无水乙醇、叔丁醇均为分析纯,实验用水为超纯水。

配制0.01 mmol·L?1的Tris(三羟甲基-氨基甲烷)缓冲溶液,调节pH为8.5,加入一定量的多巴胺和聚乙烯亚胺,按照DA∶PEI=1∶1的质量比,配制成DA/PEI混合液。将用乙醇润湿的非织造布(1.0 g)置于DA/PEI混合溶液中,在恒温水浴中,25 ℃振荡反应12 h。反应后,用蒸馏水洗去非织造布表面未反应的聚合物,并在60 ℃的恒温干燥箱中烘至恒重,得到PDA/PEI@PP样品。通过扫描电镜(SEM)和傅里叶红外光谱(FT-IR)对PDA/PEI@PP材料表面形貌、结构和官能团进行分析。

在实验过程中,向200 mL反应体系中分别投加PDA/PEI@PP、FeSO4·7H2O和过硫酸盐(PS)等其他组分,体系中ARB的浓度为0.2 mmol·L?1。将反应液置于恒温水浴中,在25 ℃下均速搅拌,分别在0、2、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90 min时移取3 mL待测样于比色皿中,测定ARB浓度。

采用分光光度法测定ARB的浓度,采用KI显色法[17]测定反应体系中PS的浓度,采用邻菲罗啉法测定溶液中的Fe2+。以DMPO作为捕捉剂,应用电子自旋共振波谱(ESR)仪对体系中的自由基进行检测和分析。ARB的去除率的计算方法如式(1)所示。ARB催化降解的反应符合动力学一级反应的特征,准一级动力学方程如式(2)所示。PS的分解率的计算方法如式(3)所示。
式中:R为ARB的去除率;C0为ARB的初始浓度,mg·L?1Ctt时的ARB浓度,mg·L?1k为反应速率常数,min?1y为与反应体系相关的参数。$R'$为PS的分解率;$C_0^{'}$为PS的初始浓度,mg·L?1$C_t^{'}$t时的PS浓度,mg·L?1

图1(a)图1(b)分别为PP非织造布和PDA/PEI@PP的冷场扫描电镜图。由图1(a)图1(b)可见,PP非织造布由随机堆叠的纤维单丝组成,单个纤维表面比较光滑,材料具有较高的渗透性和孔隙率,这有利于反应分子在材料表面的扩散和传递。而PDA/PEI@PP仍具有非织造布的空间结构,纤维之间有贯穿的孔道,这有利于纤维表面的反应位点参与反应。为能够进一步清晰地观察纤维表面聚合物的复合状态,采用热场扫描电镜对PP非织造布和PDA/PEI@PP的表面纤维进行了分析,结果如图1(c)图1(d)所示。对比两者可见,PDA/PEI@PP纤维表面出现明显且均匀的复合层,为后续的活化反应提供了更多的反应位点。



在初始ARB浓度为0.2 mmol·L?1、PS浓度为2 mmol·L?1、Fe2+浓度为0.5 mmol·L?1,PDA/PEI@PP投加量为2 g·L?1的条件下,考察了不同体系(PS、PDA/PEI@PP、PDA/PEI@PP/PS、Fe2+/PS和PDA/PEI@PP/Fe2+/PS)对ARB和PS浓度的影响,实验结果见图2。如图2(a)所示,溶液中只存在PS时,ARB浓度几乎没有变化;当PDA/PEI@PP与ARB共存时,90 min内的ARB减少了12%,这主要是由于复合材料对染料具有一定的吸附作用导致的;在PDA/PEI@PP/PS体系中,ARB可在90 min后降解了56%,这表明PDA/PEI@PP可以活化PS,并产生氧化性物质,其可使得染料被氧化降解。在Fe2+/PS体系中增加PDA/PEI@PP复合材料后,可对ARB的氧化降解速率有所提高。由图2(b)可见,在PDA/PEI@PP反应体系中,PS被分解了47%。Fe2+/PS和PDA/PEI@PP/Fe2+/PS体系中的PS分解率分别为76%和87%,PDA/PEI@PP/Fe2+/PS相比于Fe2+/PS体系PS的消耗量有明显的增加,这说明PDA/PEI@PP也参与了PS的活化,从而加快ARB的氧化降解过程。


图3可知,Fe2+/PS和PDA/PEI@PP/Fe2+/PS体系中ARB的降解均符合准一级动力学方程。Fe2+/PS和PDA/PEI@PP/Fe2+/PS体系的反应动力学的拟合系数R2分别为0.901和0.906,其反应速率常数k分别为0.026 min?1和0.040 min?1。结果表明,PDA/PEI@PP的引入明显增加了体系的活化降解速率。



为了进一步证明PDA/PEI@PP可通过活化PS增加Fe2+/PS体系中强氧化自由基的含量,本研究对不同体系(PS、PDA/PEI@PP/PS、Fe2+/PS和PDA/PEI@PP/Fe2+/PS)进行了ESR分析。如图4所示,在初始PS和Fe2+浓度分别为2 mmol·L?1和0.5 mmol·L?1,PDA/PEI@PP投加量为2 g·L?1条件下,当反应进行到20 min时,PDA/PEI@PP/Fe2+/PS体系相比于Fe2+/PS体系,DMPO-OH峰的强度有所增强,且在PDA/PEI@PP/PS体系中也检测到了明显的DMPO-OH峰。结果表明,PDA/PEI@PP可以活化PS产生强氧化自由基。由于硫酸根自由基在一定条件下可以转换成信号较强的羟基自由基[18-19],反应如式(4)所示,因此,检测到的信号主要为羟基自由基。


图5所示,为了对PDA/PEI@PP活化PS的过程做进一步分析,实验对PDA/PEI@PP/PS体系在不同反应时间点的自由基产生情况进行了ESR检测。由于PDA/PEI@PP/PS体系中羟基自由基信号较弱,反应液中干扰物对羟基自由基的强度影响较大,导致PDA/PEI@PP/PS中的羟基自由基的峰型不明显,但随着反应的进行,峰的强度有所变化。当反应进行到2 min时,PDA/PEI@PP/PS溶液中DMPO-OH峰强度相对较强。随着反应时间的增加,PDA/PEI@PP/PS中的自由基信号逐渐减弱,在90 min时自由基信号基本消失。由此可见,PDA/PEI@PP活化PS产生的自由基主要在短时间内快速生成,可对ARB起到氧化降解作用。



为了进一步证明PDA/PEI@PP上的邻苯二酚基团和邻醌基对PS的活化起主要作用,研究对活化PS前后的PDA/PEI@PP进行FT-IR光谱分析(图6)。如图6所示,在3 700~3 100 cm?1处的宽吸收峰归属于酚羟基的O—H的伸缩振动峰或氨基上的N—H振动峰[20],其峰的强度在活化PS后有所减弱,且在1 655 cm?1处出现了明显的尖峰,其可归属于醌基峰[21]


由此可以推断,PDA/PEI@PP表面上的邻苯二酚基团(H2Q)可能与邻醌基(Q)在溶液中发生反应,生成具有活化PS的半醌自由基(HQ·)[13, 22],HQ·能够活化PS产生过硫酸根自由基,同时HQ·失电子,转化为邻醌基(Q),如式(5)和式(6)所示。因此,在活化PS后,PDA/PEI@PP上醌基特征峰增强,而酚羟基振动峰有所减弱。

相关研究[15, 23]表明,对苯酚和半醌自由基因具有电子传递的作用,可以将Fe3+还原为Fe2+。而在PDA/PEI@PP表面上含有酚醌共存结构,为了进一步验证PDA/PEI@PP材料对Fe3+的还原作用,对PDA/PEI@PP/Fe3+体系中的Fe2+进行了检测,结果如图7所示。由图7可知,在Fe3+初始浓度为0.5 mmol·L?1,PDA/PEI@PP投加量为2 g·L?1时,反应60 min后,溶液中检测到的Fe2+生成率为10%。结果表明,PDA/PEI@PP材料对Fe3+具有还原作用,可能存在的反应[15]如式(7)和式(8)所示。随着反应的进行,PDA/PEI@PP表面邻苯二酚基团因提供电子,导致酚羟基不断被消耗,从而生成不具有还原作用的醌基,因此,对Fe3+还原效果也随之逐渐减弱。


基于PDA/PEI@PP材料对PS活化作用和对Fe3+还原作用的结果,可以看出,PDA/PEI@PP对Fe2+活化过硫酸盐的促进作用机制主要体现在2个方面(图8):PDA/PEI@PP表面的邻苯二酚基团与邻醌基在溶液中反应,生成具有活化PS的半醌自由基,在短时间内产生硫酸根自由基和羟基自由基;PDA/PEI@PP表面的邻苯二酚基团和半醌自由基对Fe3+具有还原作用又生成了部分Fe2+,从而促进PS的活化。



在初始ARB浓度为0.2 mmol·L?1、PS浓度为2 mmol·L?1、Fe2+浓度为0.5 mmol·L?1、PDA/PEI@PP投加量为2 g·L?1的条件下,考察了PDA/PEI@PP在Fe2+/PS体系中的重复利用性,实验结果如图9所示。由图9可知,当PDA/PEI@PP在Fe2+/PS体系中重复使用4次后,体系对ARB的催化活化性能已经接近单纯的Fe2+/PS体系。重复多次使用后,PDA/PEI@PP材料含有的邻苯二酚基团几乎全部转化为醌基基团,无法对PS进行活化以及对Fe3+进行还原,所以对Fe2+/PS体系的促进作用下降明显。



1)冷场扫描电镜分析结果表明,PDA/PEI@PP保持PP非织造材料原有的孔道结构。通过热场扫描电镜,对材料纤维表面的分析结果表明,非织造纤维上均匀附着一层聚多巴胺/聚乙烯亚胺复合物。
2)将PDA/PEI@PP引入Fe2+/PS体系可有效促进Fe2+/PS体系对ARB的降解。Fe2+浓度的增加,对PDA/PEI@PP促进Fe2+/PS体系的ARB的降解和反应速率均有影响。
3) PDA/PEI@PP的引入增加了Fe2+/PS体系中羟基自由基的产率,且PDA/PEI@PP可在短时间内活化PS产生硫酸根自由基和羟基自由基。
4) PDA/PEI@PP上的邻苯二酚基团可与邻醌基反应,生成半醌基进而活化PS。通过PDA/PEI@PP对Fe3+的还原作用研究,发现PDA/PEI@PP上的邻苯二酚基对Fe3+也具有还原作用。
5)随着PDA/PEI@PP重复利用次数的增加,PDA/PEI@PP表面的邻苯二酚基团不断被消耗,从而生成醌基,因此,PDA/PEI@PP在Fe2+/PS体系中的促进作用也随之逐渐减弱。

参考文献 (23)
相关话题/材料 结构 电子 图片 实验