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明胶/纳米凹凸棒土复合膜的构筑及其对刚果红的吸附机制探究

一、引言

1.1研究背景

随着工业的快速发展，染料的使用量日益增加，染料废水的排放成为了严重的环境问题。据统计，目前世界染料年产量约为8×105－9×105t，我国染料年产量达1.5×105t，位居世界前列，在染料的生产和使用中约有10％－15％的染料随废水排入环境。染料废水具有污染量大、成分复杂、色度高、难降解等特点，对生态环境和人类健康构成了极大的威胁。多数染料具有致癌、致畸、致突变的“三致”作用，其降解产物多为联苯胺等致癌的芳香类化合物。如直接染料中的联苯胺类衍生物，在与人体皮肤长期接触后，可能会发生还原反应使偶氮基断裂，重新生成致癌的芳香类化合物，增加人体致癌的可能性。

针对染料废水的处理，目前主要有物理分离、化学处理和生物降解三类方法，包括吸附、絮凝、离子交换、生物反应器、膜过程、电化学处理等。其中，吸附法因操作简便、环境友好、能有效去除废水中的污染物等特点，被认为是处理染料废水的最佳选择之一。开发高效且实用的吸附材料成为吸附法的关键，目前研究和应用较多的吸附材料有沸石、硅胶、活性炭以及硅酸盐矿物等。

凹凸棒土作为一种硅酸盐矿物，因其独特的层链状结构、特殊的表面电荷特性以及对刚果红染料突出的吸附能力，受到了广泛关注。然而，目前改性的硅酸盐吸附材料多为粉体，不利于吸附后与水溶液分离，容易造成二次污染。将吸附材料制备成具有一定宏观尺寸和强度的薄膜，是解决吸附后固液分离问题的有效途径。明胶是一种天然高分子材料，具有良好的生物相容性、可降解性和成膜性。以明胶为基膜原料，添加凹凸棒土制备明胶/纳米凹凸棒土复合膜，有望结合两者的优势，提高对刚果红的吸附性能，同时解决吸附剂分离困难的问题。

1.2研究目的与创新点

本研究旨在制备明胶/纳米凹凸棒土复合膜，并深入研究其对刚果红的吸附性能及吸附机理。具体而言，通过优化复合膜的制备工艺，提高复合膜的吸附性能和稳定性；系统考察凹凸棒土含量、溶液初始浓度、吸附时间、体系温度和体系pH等因素对复合膜吸附刚果红性能的影响；利用多种表征手段，分析复合膜的表面形貌、晶体结构、官能团结构和力学性能等，探讨复合膜对刚果红的吸附机理。

本研究的创新点主要体现在以下两个方面：一是采用独特的制备工艺，将明胶与纳米凹凸棒土复合，制备出具有良好吸附性能和稳定性的复合膜，解决了传统吸附剂分离困难的问题；二是系统研究了多个因素对复合膜吸附刚果红性能的影响，并对吸附过程进行了多因素耦合分析，为复合膜在染料废水处理中的实际应用提供了更全面、深入的理论依据。

二、实验材料与方法

2.1实验材料

本实验中使用的明胶为工业级，水分为10.6wt％，灰分为0.1wt％，凝冻强度(6.67wt％)为224bloomg，购自[具体厂家名称]；纳米凹凸棒土呈层链状结构，细度为500目湿筛余量0.9％，为淡黄色粉末，由[供应方]提供；刚果红为分析纯，用于模拟染料废水，购自[试剂公司名称]。此外，实验中还用到了去离子水（自制）、甘油（分析纯，作为增塑剂，购自[厂家]）、戊二醛（分析纯，用于交联，来自[供应商]）等试剂。

2.2仪器设备

实验所需的仪器设备众多。电子天平（型号：BS224，德国SARTORIUS公司）用于精确称量各种实验材料，确保实验配方的准确性。搅拌器（如磁力搅拌器，用于溶液搅拌，品牌：[具体品牌]），在明胶溶液、凹凸棒土悬浮液的制备以及复合膜液的混合过程中，发挥着重要作用，能够使各组分均匀分散。干燥箱（上海精宏电热恒温鼓风干燥箱，型号：DHG-9030A）用于复合膜的干燥成膜，其具有精确的控温系统，能将温度控制在25-40℃范围内，满足实验要求。此外，还使用了扫描电镜（SEM，型号：[具体型号]，[生产厂家]），用于观察复合膜表面和截面微观结构；X射线衍射仪（XRD，[型号及厂家]），分析复合膜晶体结构；傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，[仪器详情]），确定复合膜中官能团种类和变化；万能材料试验机（[品牌与型号]），测试复合膜拉伸强度和断裂伸长率；接触角测量仪（[相关信息]），测量复合膜与水的接触角；振荡器（常州国华电器有限公司，型号[具体型号]），用于吸附实验中的振荡，使复合膜与刚果红溶液充分接触。

2.3复合膜制备方法

首先进行明胶溶液的制备。称取一定量的明胶加入去离子水，在常温下溶胀30min，然后置于60℃水浴锅中搅拌30min，形成均匀的明胶水溶液。接着制备凹凸棒土悬浮液，称取适量凹凸棒土加入去离子水，同样置于60℃水浴锅中磁力搅拌60min，得到均匀分散的凹凸棒土悬浮液。将上述制备好的明胶溶液和凹凸棒土悬浮液等比混合均匀，然后加入占总质量0.5wt％的甘