聚乙烯吡咯烷酮在石英表面吸附性能的研究

聚乙烯吡咯烷酮在石英表面吸附性能的研究

朱林英1，莫红兵2

（1.宁波市化工研究设计院有限公司，宁波 315040；2.中南大学化学化工学院，长沙410083）

摘 要:本文主要研究了聚乙烯吡咯烷酮（PVP）在石英表面的吸附性能，并对其吸附机理进行了探讨。研究发现，PVP对石英的吸附以化学吸附为主，且其吸附量随着分子量的增大而增加，与溶液pH大小无关。同时，研究还发现PVP吸附石英的量受固体比表面积影响，随着石英颗粒比表面积的增加，PVP对其吸附量缓慢下降。

关键词:聚乙烯吡咯烷酮（PVP）；石英；吸附 中图分类号：TQ326.6 文献标识码：A

PVP是一种水溶性聚酰胺，其具有优异的溶解性、低毒性、成膜性、化学稳定性、生理惰性、粘接能力等性能，广泛用于医药医疗卫生、化妆品、食品、饮料、酿造、造纸、纺织印染、新材料、悬浮及乳液聚合、分散稳定剂等领域 [1,2]。在PVP的结构中，形成其链和吡咯烷酮环上的亚甲基是非极性基团，具有亲油性。分子中的内酰胺是强极性基团，具有亲水和极性基团作用。这种结构特征使PVP易吸附在很多界面上，形成稳定的界面吸附膜。当前，PVP在黏土矿物及氧化物间的吸附性能

表1 PVP样品的来源

供应商 Alfa Aesar Chemicals Alfa Aesar Chemicals 上海源聚生物科技有限公司

规格 K-120 K-17 K-30

分子量 1300 000 8 000 30 000

国内外已经有很多关引起了很多科学家的兴趣[3-8]。

于PVP与白炭黑之间吸附的研究文献报道，然而迄今为止，没有任何关于PVP与石英之间吸附作用的文献报道。因此，我们的研究工作将探讨PVP在石英表面的吸附并初步考察其吸附机理。 1

实验部分

PVP的来源及规格如表1。

1.1 实验药品

天然石英微粉（800目，1250目，3000目，6000目）由河南海龙微粉厂提供，实验前用6 mol/L盐酸浸泡一小时，再用去离子水洗涤至中性，然后在110℃的烘箱中干燥，备用；盐酸、氢氧化钠均为分析纯。 1.2 实验方法

不同目数的石英粉BET比表面积和粒径分布

见表2，表中数据由Beckman Coulter SA3000 比表面分析仪测得。

石英的Zeta电位的测定：称取一定量石英颗粒加至含电解质的水溶液中，配成一定固液比的悬浮液。将之超声分散10 min后分为等量的12组，分别调节pH形成一定梯度后用Zatasizer 3000HS型微电泳仪测定其Zeta电位。数据见图1。

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表2 样品的物理特性

粒径分布/μm

样品

d10 d50 d90

石英 (800 目) 石英 (1250 目) 石英 (3000 目) 石英 (6000 目)

4.845 3.727 2.370 0.101

12.477 10.527 4.364 1.226

24.465 22.516 7.965 3.665

比表面积/m·g

1.632 1.904 2.707 6.765

2

－1

石英表面的特定交互作用主要是其与自由的硅醇形成氢键（RC=O…H-OSi≡）[9

－11]

。在稀溶液中，

PVP在石英上的吸附具有高亲和力的原因是：PVP在稀溶液中以单链形式存在，且与石英的表面存在大量的接触碰撞机会，PVP易吸附在石英表面，不过，我们研究还发现当[PVP]>0.5mg/mL时，吸附量急剧下降，甚至用紫外分光光度计检测不到PVP被吸附，原因可能是在高浓度时，PVP在固体表面

图1 pH对石英Zeta电位的影响

形成了一端固着于表面，另一端伸向溶液的具有很它在石英表面的吸附力比较长尾巴的密集环层[3,9]。

弱，从而容易从石英表面进行解吸附。

吸附实验：称取1.000g石英，置于一系列25mL离心管中，分别加入事先调节好pH值、体积为20mL、PVP浓度为0～1.0mg/mL的溶液，超声10 min，使石英颗粒充分分散。在一定温度下恒温振荡16h使吸附达到平衡，离心，取其上层清液用 UV-2000型紫外可见分光光度计检测，根据吸附前后吸光度的变化来计算其吸附量。 1.3 结果与讨论

图2为pH=5时，不同分子量的PVP样品对石英（3000目）的吸附等温线。从图2可以看出，PVP在0～45mg/L浓度范围内，其浓度和吸光度成线性关系，浓度增大时，PVP在石英表面的吸附达到饱和，出现一个平台区。由此图还可以看出，吸附等温线为Langmuir型，PVP对石英具有高亲和力，且吸附量随PVP分子量的增大而增加。这是因为PVP是一种典型的线性聚合物，它与石英表面的相互作用主要是形成氢键，即RC=O…H-OSi≡。PVP是一个内酰胺，在极性溶剂中，氮原子弱的给电子体特性使其只能形成很微弱的氢键，因此，PVP与

图2 在pH=5条件下，不同分子量的PVP

对石英（3000目）的吸附曲线

图3显示了pH值分别为 2.0，5.0，9.0，11.0时，PVP在石英上的吸附情况。根据此图，可以发现吸附量是不随pH值的改变而变化的。根据石英的等电点可知，当pH值低于2.3时，石英表面带正电荷，等于2.3时呈电中性，高于2.3则带负电荷。研究中，

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我们发现即使在pH高达11.0，石英表面主要是硅酸根离子时，其吸附量仍没有很大变化。从PVP链的结构（图4）可以看出羰基氧在高分子链的一侧，

氮在链的另一侧并且周围环绕着甲基和亚甲基，从而使氧原子比氮原子更加暴露，氮原子上带部分正电性而氧原子上带负电性[12]。

我们认为在高pH值条件下，相互作用也会出现在石英表面的硅酸根离子和PVP带正电的氮原子上，因此pH值的改变对PVP在石英表面的吸附无影响。

图3 在不同的pH条件下，PVP(K-120)

对石英（3000）的吸附曲线

HHC2HCC2HCNNH+HH2CCOH2CCO-H2CCH2H2CCH2

图4 PVP中的吡咯环的共振结构图

PVP对不同目数的石英吸附等温线由图5中给出。PVP在石英上的吸附量受石英比表面积影响，随着比表面积的增加，吸附在石英上的PVP逐渐下降，原因是随着石英比表面积的增加，其表面羟基数量增加的速度与比表面积增大不成正比，即羟基增加的速度小于比表面积增大的速度，因而其吸附PVP的量相应的减少。

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图5 在pH 5.0条件下，PVP(K-120) 对不同目数的石英的吸附曲线

图6显示了不同温度时，PVP对石英的吸附情况，随着温度升高，PVP对石英的吸附能力增加。PVP对石英的吸附既有物理吸附又有化学吸附，以化学吸附为主，因此，温度升高，活化分子的数目迅速增多，所以吸附量随着温度的升高而增加。

图6 不同温度下，PVP对石英的吸附曲线

2 结论

PVP与石英具有很高的亲和力，其吸附量较大，

并显著高于其在氧化铁上的吸附量。PVP的吸附量随其分子量的增加而增大，随温度的升高而增加，但不受溶剂pH值的影响。PVP在石英上的吸附量受固体比表面积的影响，随着石英颗粒比表面积的增加，PVP的吸附量将有所下降。

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参考文献

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The Adsorption Capacity of Polyvinylpyrrolidone on Quartz

ZHU Lin-ying , MO Hong-bing

Abstract: Isotherms for the adsorption of polyvinylpyrrolidone (PVP) on quartz has been etermined. The adsorption capacity for PVP increased with increasing molecular mass and temperature but was independent of pH. At the same time, the research approved that the BET of quartz influnced the amount of PVP adsorbed on quartz . In this investigation, the adsorption mechanisms of PVP adsorbing on quartz was discussed.

Key words: polyvinylpyrrolidone(PVP);quartz;adsorption

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