全 文 ：核 农 学 报 2011，25(1):0097 ～ 0104
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
文章编号:1000-8551(2011)01-0097-08
辐射接枝共聚物 XG-g-NVP溶胀性能
及其对苯酚吸附特性的研究
李咏富1 哈益明2 陶乐仁1 李彦杰2，3 王 锋2
(1. 上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093;2. 中国农业科学院农产品加工研究所 /
农业部农产品加工与质量控制重点开放实验室，北京 100193;3. 内蒙古工业大学化工学院，内蒙古 呼和浩特 010051)
摘 要:采用共辐射接枝法制备黄原胶-N-乙烯基吡咯烷酮接枝共聚物(XG-g-NVP)，研究其溶胀性能及
对苯酚的吸附性能。研究表明，XG-g-NVP 在接枝率为 623%时溶胀性能和吸附苯酚的能力最强，分别
为 62. 1 和 0. 76g / g。红外分析显示，XG-g-NVP 与苯酚通过氢键相结合。XG-g-NVP 对苯酚吸附符合
Freundlich 等温吸附方程。298K 下，XG-g-NVP 吸附苯酚的自由能(ΔG)为 － 2. 586kJ /mol，表明其对苯
酚的吸附是物理吸附，可自发进行。因此，XG-g-NVP 可作为苯酚废水处理的一种高效吸附剂。
关键词:辐射接枝;黄原胶;N-乙烯基吡咯烷酮(NVP);吸附苯酚
SWELLING AND PHENOL ABSORBING PROPERTY OF XANTHAN
GUM-g-N-VINYLPYRROLIDONE PREPARED BY IRRADIATION
LI Yong-fu1 HA Yi-ming2 TAO Le-ren1 LI Yan-jie2，3 WANG Feng2
(1. School of Medical Instrument and Food Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093;
2. Institute of Agro-Food Science and Technology，Chinese Academy of Agriculture Sciences /
Key Opening Laboratory of Agricultural Products Processing and Quality Control，Ministry of Agriculture，Beijing 100193;
3. Chemical and Engineering Institute，Inner Mongolia University of Technology，Huhehaote，Inner Mongolia 010051)
Abstract:Xanthan gum-g-N-vinylpyrrolidone graft copolymer (XG-g-NVP)was prepared by irradiation，and its swelling
and phenol absorbing properties were studied. Results showed that the XG-g-NVP had the best swelling property
(62. 1g / g)and the best phenol adsorption capacity (0. 76g / g)at the grafting yield of 623% . IR analysis showed that
the copolymer was combined with phenol through hydrogen bonds. The data of isotherm were fitted to Freundlich model.
At the temperature of 298K，free energy (ΔG)of the adsorption process was － 2. 586kJ /mol. Thus identified that the
process was a physical adsorption and spontaneously occurred. Therefore，XG-g-NVP could be used as a highly effective
adsorbent for wastewater treatment.
Key words:irradiation grafting;xanthan gum;NVP;adsorption of phenol
收稿日期:2010-04-04 接受日期:2010-01-12
基金项目:国家十一五食品安全科技支撑专项(2006BAK02A18-3)，农业部公益性行业科技专项(200803034)
作者简介:李咏富(1985-)，男，内蒙古临河人，硕士研究生，食品科学专业。E-mail:liyongfu1985@ 163. com
通讯作者:哈益明(1957-)，男，山东蓬莱人，研究员，主要从事辐照食品加工与贮藏研究。Tel:010-62815972;E-mail:hayiming@ sina. com
黄原胶(xanthan gum，XG)是一种具有特殊性能
的阴离子型天然聚合物，已被广泛地应用于日用化工、
食品、医药、采油、纺织、陶瓷及印染等领域［1］，黄原胶
在污水处理方面也有较大的潜在应用价值。黄原胶的
主、侧链上含有大量的羟基、羧基、缩酮等活性基团，可
以通过接枝赋予黄原胶新的性能。大量研究表明，以
聚合物骨架为载体的高分子材料的化学和生物活性不
但与所含官能团类型及数量有关，其交联键和微观形
79
核 农 学 报 25 卷
貌特征也对其分子识别、选择性吸附、反应动力学以及
再生过程中的渗透压稳定等性能起着十分重要的作
用［2］。因此，通过将不同单体分子接枝于黄原胶，可
改变其微观外貌及分子特性，得到具有不同特性的接
枝共聚物。
苯酚是一种重要的化工原料，在造纸、炼油、塑料、
农药、医药合成等行业有着广泛的应用，因此也是水体
中常见的污染物［3］。苯酚的毒性极大，能使生物体的
蛋白质发生变性和沉淀，引起组织的损伤、坏死，从而
使生物中毒，已被我国环保部门和美国国家环保署等
机构列为优先控制的污染物［3］，含苯酚废水处理一直
是环境保护界研究的热点课题之一。由于含苯酚废水
对环境的严重危害，迫切需要高效率、低能耗的处理方
法。目前，含苯酚废水处理方法主要有萃取法［5］、气
提法、吸附法［6 ～ 9］、生化处理法、化学氧化法［10］，光催
化降解法［11］、焚烧法、浓缩法、混凝沉淀法、渗析和反
渗透法等，其中吸附法因不引入新的污染物且能从水
中富集分离有机污染物而受到广泛重视。
辐射接枝共聚是高分子辐射化学中的重要研究领
域之一，在改善聚合物性能方面该技术比传统的接枝
方法具有很多优越性，如接枝率高、易于调节、电离辐
射与物质作用无选择性等，理论上辐射接枝技术可以
应用于任何一对聚合物基材-单体体系［3］。因此，可利
用辐射技术对黄原胶进行功能化改性。本文采用共辐
射接枝法，以黄原胶为基材，N-乙烯基吡咯烷酮为接枝
单体，制备黄原胶-N 乙烯基吡咯烷酮接枝共聚物(XG-
g-NVP)，以期得到可吸附苯酚的水凝胶，为对于苯酚
废水的处理提供了一种有效途径。
1 材料与方法
1. 1 试剂及仪器
食用级黄原胶，山东阜丰发酵有限公司。N-乙烯
基吡咯烷酮(NVP)和苯酚购于国药集团化学试剂有
限公司，95%乙醇和氢氧化钠购于北京化工厂，所用试
剂均为分析纯。
试验用红外光谱仪，德国 BRUKER TENSOR;紫
外-可见分光光度计，v550 型，日本 Jasco 公司;水分自
动测定仪，MA100 型，德国 Sartorius 公司;TGL-16M 高
速离心机，长沙湘仪离心机仪器有限公司;恒温水浴
锅，北京利康达;电热恒温鼓风干燥箱，武汉利辉;冷冻
干燥机，北京博医康。
1. 2 XG-g-NVP 的制备
在 500ml 三角瓶中加入 250ml 双蒸水，称取 2. 5g
黄原胶备用。分别准确量取一定量的 NVP，使 XG /
NVP 的质量比为 6∶ 1、7∶ 1、8∶ 1、9∶ 1、10∶ 1和 11∶ 1，加入
上述三角瓶中，混合、摇匀。将称好的黄原胶少量多次
加入瓶内，使终浓度为 10mg /ml，振荡溶解，静置
30min，通 N2 20min，进行辐照处理。辐照在中国农业
科学院农产品加工研究所辐照中心进行，以60 Co 为辐
射源，吸收剂量为 8 和 10kGy，剂量率为 0. 5kGy /h。辐
照后的样品经冷冻干燥，粉碎，制得 XG-g-NVP 粗品。
将粗品置于索式提取器中，95% 乙醇 90℃ 提取
48h，除去均聚物，得到 XG-g-NVP 纯品，60℃干燥至恒
重，样品粉碎后过 100 目筛备用。用公式(1)计算接
枝率:
接枝率 G(%) =
W － W0
W0
× 100% (1)
式中，W0 为黄原胶质量，g;W 为 XG-g-NVP 质量，g。
1. 3 XG-g-NVP 的溶胀性能
称取 100mg XG-g-NVP 于双蒸水中溶胀 40min，滤
去多余水分，称重，用公式(2)计算溶胀度。
溶胀度(S) =
Ws － W0
W0
× 100% (2)
其中，Ws 为溶胀后凝胶的质量，g;W0 为干凝胶的质
量，g。
1. 3. 1 接枝率对溶胀性能的影响 称取不同接枝率
下的 XG-g-NVP 100mg 置于 100ml 烧杯中，加入 50ml
双蒸水，将烧杯置于 25℃水域中，充分溶胀 40min 后
转入滤纸袋，用手指轻轻压袋，滤去多余水分，用吸水
纸吸去滤纸袋表面水分，以空白滤纸袋的吸水量作空
白，称重，利用式(2)计算溶胀度。
1. 3. 2 XG-g-NVP 溶胀速率曲线的测定 称取干燥
XG-g-NVP 100mg 于滤纸袋中，将滤纸袋置于 25℃双
蒸水中，每间隔一定时间，用吸水纸吸去滤纸袋表面的
水分，称重，利用式(2)测定接枝共聚的溶胀度，直至
恒重。
1. 3. 3 温度对 XG-g-NVP 溶胀度的影响 称取干燥
XG-g-NVP 100mg 于 100ml 烧杯中，加入 50ml 双蒸水，
将烧杯置于 25℃、40℃、45℃、50℃和 55℃水浴中，溶
胀 40min，其余操作同 1. 3. 1，用公式(2)计算溶胀度。
1. 3. 4 XG-g-NVP 耐盐性分析 称取干燥 XG-g-NVP
100mg 于 100ml 烧杯中，分别加入 0. 155mol /L 的
Na2 SO4、Na2CO3、Na2HPO4、ZnCl2、CaCl2、FeCl3 和
NH4Cl 溶液 50ml，25℃溶胀 40min，其余操作同 1. 4. 1，
用公式(2)计算溶胀度。
1. 3. 5 XG-g-NVP 保水性的测定 将不同接枝率下
的 XG-g-NVP 充分溶胀，称取 1. 000g 水凝胶于水分自
89
1 期 辐射接枝共聚物 XG-g-NVP 溶胀性能及其对苯酚吸附特性的研究
动测定仪中，100℃下间隔一定时间测定剩余水凝胶的
质量，分别记为 Mn，直至恒重，恒重的质量记为 M0，利
用式(3)计算持水量(g / g)。
持水量(g / g) =
Mn － M0
M0
× 100% (3)
1. 4 XG-g-NVP 对苯酚的吸附性能
1. 4. 1 苯酚标准曲线 苯酚标准曲线根据 NaOH 分
光光度法测定。准确称取 1000mg 苯酚溶于双蒸水
中，定容至 100ml，配置成 10mg /ml 溶液，吸取此溶液
2ml 定容至 100ml，稀释至 50μg /ml(使用液)，分别吸
取使用液 2. 5、5. 0、7. 5、10. 0、12. 5、15、17. 5 和 20ml，
用 0. 1mol /ml NaOH 溶液定容至 25ml，287nm 下测定
吸光度值 A［13，14］。
1. 4. 2 处理时间的影响 称取 100mg 接枝率为
623%的 XG-g-NVP 于离心管中，加入 50ml 双蒸水充
分溶胀 40min 后，在 7500r /min 离心 10min，弃去上清
液，再加入 15mg /ml 的苯酚溶液 50ml，每间隔一定时
间，使用 NaOH 分光光度法测定上清液中苯酚的浓度，
利用式(4)计算平衡吸附量 Q e:
平衡吸附量(Qe) =
(C0 － Ce)
m
× V0 (4)
其中，C0 为苯酚初始浓度，mg /ml;Ce 为苯酚平衡
浓度，mg /ml;V0 为加入苯酚溶液的体积，mg /ml;m 为
XG-g-NVP 质量，mg。
1. 4. 3 接枝率的影响 称取不同接枝率 XG-g-NVP
100mg 于 100ml 离心管中，加入 50ml 双蒸水充分溶胀
40min，在 7500r /min 离心 10min，弃去上清液，分别向
离心管中加入苯酚溶液，吸附 60min 后，NaOH 分光光
度法测定上清液中苯酚的浓度，利用式(4)计算平衡
吸附量 Qe。
1. 4. 4 XG-g-NVP 吸附苯酚后的红外图谱 使用红
外光谱仪，通过 KBr 压片法对 XG-g-NVP 及吸附苯酚
后的 XG-g-NVP 进行红外光谱分析。
1. 4. 5 温度的影响 分别称取 100mg 接枝率为
623%的 XG-g-NVP 于 100ml 离心管中，加入 50ml 双
蒸水充分溶胀 40min，7500r /min 离心 10min，弃去上清
液，分别向离心管中加入不同浓度苯酚溶液在 298K、
313K、323K 下恒温吸附 60min 后，吸取上清液 3ml 于
4ml 离心管中，7500r /min 离心 10min，NaOH 分光光度
法测定上清液中苯酚的浓度，计算平衡吸附量 Qe，并
根据 Freundlich 和 Langmuir 等温吸附方程对等温线进
行拟合［15］。
Freundlich 方程:
lnQe = lnkf +
1
n
lnCe (5)
式中:n 和 Kf 为 Freundlich 常数。
Langmuir 方程:
Ce
Qe
= 1
QmKf
+
Ce
Qm
(6)
式中:Qm 和 Kf 为 Langmuir 常数。
1. 4. 6 吸附热力学 XG-g-NVP 吸附苯酚的热力学
函数 ΔG、ΔH 和 ΔS，采用以下公式计算。
等量吸附焓(ΔH)根据 Clapeyron-Clausius 方程计
算:
lnCe = － lnK0 +
ΔH
RT
(7)
式中，Ce 是在绝对温度 T 时，特定的吸附量 Qe 下
溶质的平衡质量浓度;ΔH 是等量吸附焓，通过 lnCe 与
1000 /T 作图可求得;R 为理想气体常数，K0 为方程常
数。
根据等温吸附线作等吸附量下的 lnCe 与 1000 /T
关系图，得吸附等量线。用线性回归法求出不同等吸
附量时 XG-g-NVP 对水溶液中苯酚的等量吸附焓 ΔH。
吸附自由能计算式:
ΔG = － nRT (8)
式 中，ΔG 为 Gibbs 自 由 能 (kJ /mol);n 为
Freundlich 等温吸附方程中常数;R 为理想气体常数;T
为绝对温度(K)。计算结果见表 5。
吸附熵变可以根据 Gibbs-Helmholtz 方程计算:
ΔS = ΔH － ΔGT
(9)
2 结果与分析
2. 1 XG-g-NVP 溶胀性能的测定
2. 1. 1 接枝共聚物的制备 基于之前的研究，由于在
辐照剂量及 NVP /XG 质量比一定的情况下，接枝率在
黄原胶浓度为 10g /L 时，接枝率达到最大，单体利用率
高，故选取黄原胶浓度为 10g /L;由于在黄原胶浓度及
NVP /XG 质量比一定的情况下，接枝率随着辐照剂量
的增加逐步达到平衡，为有效利用辐射能，故辐照剂量
选取 8 和 10kGy，通过改变 NVP /XG 质量比而得到不
同接枝率的接枝共聚物。不同接枝率接枝共聚物的制
备如表 1 所示。
2. 1. 2 接枝率对溶胀度的影响 25℃下，XG-g-NVP
的溶胀度与接枝率的关系如图 1 所示。随着接枝的增
加，XG-g-NVP 的溶胀度逐渐增加，在接枝率为 623%
时达到最大值 62. 1g / g。随着接枝率的进一步增大，
溶胀度又呈现下降趋势。
99
核 农 学 报 25 卷
表 1 辐照剂量与 XG 与 NVP 不同配比对接枝共聚物接枝率的影响
Table 1 Grafting yields of copolymer under different irradiation doses and XG /NVP mass ratios
剂量 dose(kGy) 8 10
XG /NVP 质量比
XG /NVP mass ratio
6∶ 1 7∶ 1 8∶ 1 9∶ 1 10∶ 1 11∶ 1 6∶ 1 7∶ 1 8∶ 1 9∶ 1 10∶ 1 11∶ 1
接枝率
grafting yield(%)
425 558 608 677 716 830 524 589 623 703 746 950
图 1 接枝率对溶胀度的影响
Fig. 1 Effect of grafting yield on swelling degree
2. 1. 3 溶胀速率曲线 25℃ 下，接枝率为 557%、
623%、950% XG-g-NVP 的溶胀速率如图 2 所示。由图
图 2 不同接枝率 XG-g-NVP 的溶胀度
Fig. 2 Swelling degree of XG-g-NVP
copolymer at different grafting yeilds
可知，在最大溶胀度下，接枝率为 623% XG-g-NVP 的
溶胀速率最快，且在 50min 后基本达到溶胀平衡。随
着接枝率的增加，达到平衡的时间也逐渐延长。
2. 1. 4 温度对 XG-g-NVP 溶胀度的影响 不同温度
下，XG-g-NVP 的溶胀度如图 3 所示。由图 3 可知，随
着温度的升高，XG-g-NVP 的溶胀度略有上升。
图 3 温度对 XG-g-NVP 溶胀度的影响
Fig. 3 Effect of temperature on swelling degree
2. 1. 5 XG-g-NVP 耐 盐 性 分 析 XG-g-NVP 在
0. 155mol /L 不同盐溶液中的溶胀度如表 2 所示。由
表 2 知，XG-g-NVP 的耐盐性较好，其在 7 种盐溶液中
的溶胀度为在纯水中溶胀度(62. 1g / g)的 40% ～
50%，且 XG-g-NVP 在相同阴离子盐溶液中，溶胀度大
小分别为:SNH +4 > SZn2 + SCa2 + > SFe3 +。在相同阴离子的
情况下，离子强度越大，XG-g-NVP 的溶胀度越低。
表 2 XG-g-NVP 在不同盐溶液中的溶胀度
Table 2 XG-g-NVP copolymer’s swelling degree in different salt solutions
盐溶液 salt solution Na2 SO4 Na2 CO3 Na2 HPO4 ZnCl2 CaCl2 FeCl3 NH4 Cl
溶胀度
swelling degree (g / g)
29. 96 ± 0. 45 30. 76 ± 0. 64 33. 25 ± 0. 83 28. 94 ± 0. 73 27. 25 ± 0. 51 24. 50 ± 0. 87 31. 80 ± 0. 68
2. 1. 6 XG-g-NVP 的持水能力 利用 Sartorius MA100
水分自动测定仪测定 100℃ 下，接枝率为 557%、
623%、746%和 949% XG-g-NVP 的持水能力，结果如
图 4 所示。由图可知，在接枝率高于 623%(最大溶胀
度)后，随着接枝率的增加，XG-g-NVP 匀速失水阶段
的直线斜率随接枝率的增高而降低，既凝胶失水的速
率逐渐减小。
2. 2 XG-g-NVP 对苯酚的吸附
2. 2. 1 苯酚标准曲线 根据吸光度值 A 对苯酚浓度
C 值进行线性回归，回归方程为 A = 0. 026C + 0. 0091，
R2 = 0. 9995。试验表明苯酚浓度在 5 ～ 40μg /ml 范围
内，A 值与浓度 C 线性关系良好。
001
1 期 辐射接枝共聚物 XG-g-NVP 溶胀性能及其对苯酚吸附特性的研究
图 4 不同接枝率 XG-g-NVP 的持水能力
Fig. 4 Water holding capacity of XG-g-NVP
copolymer at different grafting yields
2. 2. 2 时间对苯酚吸附的影响 由图 5 可知，XG-g-
NVP 可以迅速吸附溶液中的苯酚，0. 5min 时的吸附量
为平衡吸附量的 80%以上，吸附过程在 30min 达到平
衡，并在较长的时间内可保持不脱附，说明 XG-g-NVP
可以达到迅速吸附溶液中苯酚的目的。
图 7 XG-g-NVP 吸附苯酚前后的红外图谱
Fig. 7 FT-IR spectroscopy analysis of XG-g-NVP before and after adsorbing phenol
2. 2. 3 接枝率对苯酚吸附的影响 苯酚浓度为
10mg /ml 时，不同接枝率下的 XG-g-NVP 吸附苯酚的
能力如图 6 所示。结合图 1 分析可知，苯酚吸附量的
多少与 XG-g-NVP 在水中的溶胀度的大小相关，即在
最大溶胀度下苯酚的吸附量达到最大，吸附量为
0. 76g / g。低于最大溶胀度时，苯酚吸附量随着接枝率
的增加而增大，高于最大溶胀度后，苯酚吸附量随着接
枝率的增加而降低。
2. 2. 4 XG-g-NVP 吸附苯酚的红外分析 XG-g-NVP
图 5 处理时间对吸附苯酚的影响
Fig. 5 Effect of treating time on adsorbed
phenol amount
图 6 接枝率对苯酚吸附量的影响
Fig. 6 Effect of grafting yield on absorbed
phenol amount
吸附苯酚后的红外图谱如图 7 所示。由图 7 可知，吸
附苯酚后的 XG-g-NVP 在高于 3000cm － 1有吸收，且在
101
核 农 学 报 25 卷
1592cm － 1有吸收峰，说明苯酚被 XG-g-NVP 所吸附。
在 3200 ～ 2500cm － 1处有一系列弱的吸收峰，说明苯酚
的羟基在 XG-g-NVP 上呈鳌合状态，与 C = O 形成了
分子间氢键［16］。红外图谱验证了苯酚与 XG-g-NVP
的作用力主要是苯酚的酚羟基与 NVP 的内酰胺结构
中的羰基所产生的氢键。
2. 2. 5 温度对吸附效果的影响 根据平衡吸附试验
测定的平衡质量浓度 Ce，计算得到的 XG-g-NVP 的平
衡吸附量 Qe，分别作 298、313、323K 下的吸附等温线，
如图 8 所示。由图 8 可知，XG-g-NVP 对苯酚的吸附平
衡量随初始浓度的增大而增大，随温度升高而增大。
根据 Freundlich 和 Langmuir 等温吸附方程对上述
等温吸附线进行拟合，结果见表 3 和表 4。由此可知，
XG-g-NVP 对苯酚的吸附等温线用 Freundlich 方程拟
合，相关系数 R2 均大于 0. 9900，说明 XG-g-NVP 对苯
酚的吸附服从Freundlich公式，这与固体在溶液中对
图 8 XG-g-NVP 吸附苯酚的等温吸附线
Fig. 8 Isothermal phenol adsorption curves of
XG-g-NVP copolymer
弱电解质的吸附规律服从 Freundlich 等温吸附方程的
结论相吻合［17］。298k 下“1 /n”值小于 1，因此在此温
度下 XG-g-NVP 对苯酚的吸附属于优惠吸附［18］。
表 3 XG-g-NVP 吸附苯酚的 Freundlich 等温吸附方程参数
Table 3 The correlated parameters of Freundlich isotherm equation of XG-g-NVP adsorbing phenol
温度
temperature(K)
拟合方程
fitting equation
Kf n R2
298 lnQe = 0. 9581lnCe － 2. 1314 0. 1187 1. 0437 0. 9994
313 lnQe = 1. 015 lnCe － 2 . 1235 0. 1196 0. 9852 0. 9990
323 lnQe = 1. 0332 lnCe － 2. 048 0. 1290 0. 9679 0. 9977
表 4 XG-g-NVP 吸附苯酚的 Langmuir 等温吸附方程参数
Table 4 The correlated parameters of Langmuir isotherm equation of XG-g-NVP adsorbing phenol
温度
temperature(K)
拟合方程
fitting equation
Kf Qm R2
298 Ce /Qe = 0. 0345Ce + 8. 8773 0. 0039 28. 98 0. 5907
313 Ce /Qe = － 0. 0181Ce + 8. 3204 0. 0022 55. 25 0. 3522
323 Ce /Qe = － 0. 039Ce + 7. 6457 0. 0051 25. 64 0. 6536
2. 2. 6 吸附热力学 对图 8 中的等温吸附线作等吸
附量下 lnCe 与 1000 /T 关系图，得吸附等量线，如图 9
所示。
结合公式(7)，用线性回归法求出不同等吸附量 q
时 XG-g-NVP 对水溶液中苯酚的等量吸附焓 ΔH(见表
5)。
吸附自由能由公式(8)计算而得，结果见表 6。
吸附过程的熵变可以根据 Gibbs-Helmholtz 方程
(公式 9)计算，结果见表 5:
根据表 5 中 XG-g-NVP 吸附苯酚的热力学参数分
析可知:(1)ΔG 均为负值，即苯酚分子倾向于在溶液
中自发聚集到 XG-g-NVP 的表面，苯酚与 NVP 的结合
能大于水分子与 NVP 结合能，共聚物对苯酚的吸附是
一种自发过程;ΔG 在 － 20 ～ 0kJ /mol 范围内，说明此
图 9 XG-g-NVP 吸附苯酚的等量吸附线
Fig. 9 Typical Van’t Hoff plot for
XG-g-NVP adsorbing phenol
201
1 期 辐射接枝共聚物 XG-g-NVP 溶胀性能及其对苯酚吸附特性的研究
吸附过程是物理吸附并且是可脱附的。(2)ΔH 均为
正值，表明吸附是一个吸热过程，这是因为 XG-g-NVP
是在水溶液中吸附苯酚，凝胶上的水分子需要被苯酚
替换，才能发生吸附，而水的解析是需要吸热的，导致
吸附过程需要吸收热量。(3)ΔS 均为正值，随着温度
的升高，ΔS 值逐渐减小。这是由于溶质被吸附，体系
的有序性增加，使得体系熵减小的原因。
表 5 XG-g-NVP 吸附苯酚的热力学函数
Table 5 Thermodynamic parameters of XG-g-NVP adsorbing phenol
q(g / g) ΔH(kJ /mol)
ΔG(kJ /mol) ΔS(J /mol·K)
298K 313K 323K 298K 313K 323K
2 4. 561 23. 983 22. 764 22. 167
1. 5 3. 484 － 2. 586 － 2. 564 － 2. 599 20. 369 19. 323 18. 833
1 2. 773 17. 983 17. 051 16. 632
3 讨论
3. 1 XG-g-NVP 的溶胀性能
一般来说，接枝物的亲水性基团越多，其吸附水的
能力越强;但溶胀度与交联密度呈负相关，交联密度越
低，大分子链的柔性越强，其构象变化越容易，扩散吸
水能力越强，溶胀速率也越快。由于单体与水分子的
亲和性越大，大分子链构象发生变化越大，其溶胀度也
越大，因此，XG-g-NVP 在水中的溶胀度也必然会低于
可解离型乙烯基单体(如丙烯酰胺、丙烯酸)所形成的
XG-g-NVP。根据溶胀速率曲线测得溶胀平衡后的溶
胀度低于凝胶的最大溶胀度，这可能是因为滤纸袋的
束缚，影响了凝胶的溶胀。
在接枝率低于 623% 时，接枝单体在黄原胶上多
呈线性分布，接枝侧链及黄原胶分子之间交联度少，交
联密度越低，大分子链的柔性越强，其构象变化越容
易，扩散吸水能力越强［19］，吸水速率较快;当接枝率高
于 623%时，随着接枝率的增加，分子交联度增大，接
枝侧链及 XG-g-NVP 之间逐步形成网络状结构，使得
亲水基团不能充分暴露在水中，同时超支化的网络状
结构也不利于共聚物分子在水中溶胀，因而 XG-g-
NVP 的溶胀度逐渐下降。
由于 NVP 单体中没有在水中可解离的基团，因而
其对溶液中离子的敏感度较低，因而相对于其他可解
离单体来讲，其耐盐性会有所提高。在相同阴离子盐
溶液中，由于 Zn2 +、Ca2 +、Fe3 +的离子半径与其他阳离
子(Na +、NH +4 )相比比较大，水合作用小，正电荷受水
分子的屏蔽作用小，对凝胶网络上的负离子基团(黄
原胶侧链上的乙酰基和丙酮酸残基)的吸引力较大，
抑制了凝胶网络的扩张，甚至致使膨胀的凝胶网络收
缩，即发生了体积相变现象［20］。
凝胶表面的水蒸汽压与环境中水蒸汽压之差是导
致凝胶脱水的原因。凝胶内部的水分子沿凝胶交联网
络结构所形成的毛细管，向凝胶表面渗透。凝胶的脱
水速率取决于水分子的渗透速度，对于给定的凝胶，其
脱水速率只与交联密度有关。随着接枝率的增加，交
联密度加大，毛细管的半径减小，因此，失水速率降低，
持水能力增强。
3. 2 XG-g-NVP 吸附苯酚的性能
吸附剂的吸附性能与吸附剂的比表面积、孔结构
及吸附剂表面的化学结构有关。XG-g-NVP 中，由于
黄原胶是多聚阴离子型多糖，分子的极性较大，在水中
有很好的溶胀性能，而 NVP 结构中的内酰胺结构类似
于蛋白质结构中的肽键，而苯酚又易与蛋白中的肽键
作用使蛋白变性，使得苯酚易与内酰胺结构作用。
XG-g-NVP 的内酰胺结构可与苯酚的羟基之间形成氢
键，而其环状结构也可以与苯酚中的苯环结构形成弱
的范德华力，进而加大了 XG-g-NVP 对苯酚的吸附作
用力。在最大溶胀度下，XG-g-NVP 可以暴露更多
NVP 内酰胺结构残基，分子之间交联密度小，更容易
与苯酚作用，故苯酚吸附量也最大。随着接枝率增加，
XG-g-NVP 交联密度的加大，NVP 内酰胺结构残基被
包裹在凝胶内部，故苯酚的吸附量逐步降低。
XG-g-NVP 对苯酚的吸附符合 Freundlich 方程，由
于该方程是根据单分子层吸附模型建立的，因此 XG-
g-NVP 对苯酚的吸附属于单分子层吸附。XG-g-NVP
吸附苯酚的吸附力是 NVP 的内酰胺结构与苯酚的羟
基形成的氢键，及苯环与内酰胺环状结构弱的范德华
力共同作用的结果，故此吸附过程属于物理吸附。
4 结论
XG-g-NVP 在较高接枝率下可形成不同溶胀度的
301
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
2010，25(1):0097 ～ 0104
水凝胶，在接枝率为 623%时溶胀度达到最大，溶胀度
的大小与分子之间的交联密度有关，交联密度越大，凝
胶的溶胀性能越差;XG-g-NVP 的溶胀度随温度的升
高而增大。
XG-g-NVP 对苯酚的吸附与其溶胀度呈正相关，
溶胀度越大吸附量越多。在接枝率为 623% 时，吸附
量最大。苯酚浓度为 10mg /ml 时，最大吸附量为
0. 76g / g。XG-g-NVP 对苯酚的吸附符合 Freundlich 等
温吸附模型，吸附热力学参数表明该吸附反应属放热
反应，反应可自发进行，吸附过程为物理吸附。
XG-g-NVP 是一种耐盐性较好，可在水中迅速溶
胀的水凝胶，对苯酚有良好的吸附效果，可作为酚类废
水处理的一种有效途径。
参考文献:
［1 ］ 郭 瑞，定恩勇 .黄原胶的结构、性能与应用［J］.日用化学工业，
2006，1(36):42 － 45
［2 ］ 高晓蕾，原思国，张艳丽，赵萍萍，尹玉国 . 大网孔阴离子交换纤
维的合成及其对苯酚吸附性能的研究［J］. 离子交换与吸附，
2006，22(4):298 － 306
［3 ］ Sabio E，Martin M L G，Ramiro A，et al. Influence of regeneration
temperature on the phenols adsorption on activated carbon ［J］.
Colloid Interface Sci，2001，(242):3
［4 ］ 孟冠华，欧承慧，陶冬民，刘宝河 .氨基酸螯合吸附树脂对苯酚的
吸附行为研究［J］.高分子学报，2009，12:1245 － 1251
［5 ］ 肖羽堂 .萃取法及其在含酚废水处理中的应用［J］. 污染防治技
术，1997，10(3):138 － 141
［6 ］ 王小梅，彭江鸣，赵晨曦，徐 峰 .大孔交联对乙烯基苄基苯胺树
脂对苯酚的吸附［J］.化学学报，2008，8(66):990 － 994
［7 ］ 王瑞芳，史作清，施荣福，张静泽，欧来良 . 胺基化超高交联吸附
树脂对苯酚和苯胺吸附行为的研究［J］. 高分子学报，2005，3:
339 － 344
［8 ］ 范云鸽，施荣福，杨益忠，史作清 .聚苯乙烯型氧化哌啶树脂的制
备及对苯酚的吸附性能［J］. 南开大学学报(自然科学版)，
2006，2(39):85 － 88
［9 ］ 潘家永，林开利，董满江，陈荣明，陈奕卫，徐学诚 .纳米羟基磷灰
石制备及其对溶液中苯酚吸附的优化设计［J］.化学通报，2006，
12:926 － 930
［10］ 谢兰英，李 忠，奚红霞，罗灵爱 .超声场下苯酚吸附相平衡和均
相催化剂氧化降解实验研究［J］. 离子交换与吸附，2007，23
(1):40 － 47
［11］ 刘中林，李春喜，王子镐 .苯酚水溶液光催化降解的盐效应［J］.
中国环境科学，2003，23(5):539 － 542
［12］ 翟茂林，伊 敏，哈鸿飞 .高分子材料辐射加工技术及进展［M］.
北京:化学工业出版社，2004:36 － 37
［13］ 方兴华，钱亚萍，缪华蓉 . 紫外分光光度法测定苯酚消毒液中苯
酚含量［J］.中国药物，2000，9(8):16
［14］ 列志民 .现代毒物实用分析［M］. 北京:人民卫生出版社，1984:
99.
［15］ 胡 英 .物理化学［M］.北京:高等教育出版社，1999:153 － 164
［16］ Solomon P H. 红外光谱分析 100 例［M］. 北京:科学出版社，
1984:20 － 21
［17］ 姚广伟，卜平宇 . 物理化学实验［M］. 北京:中国农业出版社，
2003:120 － 121
［18］ John Kennedy L，Judith Vijaya J，et al. Adsorption of phenol from
aqueous solutions using mesoporous carbon prepared by two － stage
process［J］. Chemical Engineering Journal，2007，(132):279 －
287
［19］ 崔亦华，崔英德，郭建维，赵 伟，易国斌 . NVP 共聚物水凝胶中
吸附水的性能研究［J］. 高分子材料科学与工程，2007，4(23):
152 － 154
［20］ 林雄才，李云开，许延武，杨培岭，任树梅 . 不同粒径农用高吸水
树脂的吸水特性及溶胀动力学［J］. 高分子材料科学与工程，
2008，5(24):116 － 119
(责任编辑 高美须 裴 颖)
401