磺化聚(丙烯腈-共聚苯乙烯)高效吸附亚甲基蓝染料的实验与理论研究

为解决工业染料废水污染问题，研究人员通过自由基聚合法合成聚(丙烯腈-共聚苯乙烯)[P(AN-co-ST)]，并进一步磺化制备SP(AN-co-ST)吸附剂。实验结合密度泛函理论(DFT)证实，磺化后材料具有更低的能隙和更高电子转移能力，对亚甲基蓝(MB)的吸附效率达97.50%。该研究为开发高效、可回收的染料废水处理材料提供新策略。

　　

合成染料废水污染已成为全球性环境挑战，其中亚甲基蓝(MB)等阳离子染料因其毒性和难降解特性，对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统处理方法如化学氧化易产生二次污染，生物降解效率低下，而物理吸附法因其环保性和成本优势备受关注。然而，开发兼具高吸附容量和可重复使用性的功能材料仍是当前研究难点。

Taif University（沙特阿拉伯塔伊夫大学）的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表研究，通过自由基聚合合成不同单体比例的聚(丙烯腈-共聚苯乙烯)[P(AN-co-ST)]，并对其进行磺化改性制备SP(AN-co-ST)。研究结合实验表征与密度泛函理论(DFT)计算，系统评估材料对MB的吸附性能与机制。

关键技术包括：1) 自由基聚合法制备共聚物；2) 化学磺化引入-SO₃H基团；3) FTIR和拉曼光谱验证官能团变化；4) 热重分析(TGA)和X射线衍射(XRD)表征材料稳定性与结晶度；5) 扫描电镜(SEM)观察形貌特征；6) DFT计算电子结构参数；7) 批量吸附实验优化条件。

材料表征结果
FTIR证实磺化后出现-SO₃H特征峰(1040 cm^-1)，拉曼光谱显示共聚物sp²杂化碳链振动。TGA显示磺化样品热稳定性提升至300°C，XRD表明结晶度提高有利于染料吸附。SEM显示磺化后表面形成多孔结构，比表面积显著增加。

DFT理论预测
计算表明SP(AN-co-ST)具有最低能隙(ΔE=1.98 eV)和最高软度(σ=0.505 eV^-1)，其电子亲和能(3.42 eV)与MB的电离势(6.12 eV)匹配，证实强电子转移能力。福井函数分析显示-SO₃H基团为亲核攻击活性位点。

吸附性能
在pH=7、室温条件下，90 mg 1:1单体比的SP(AN-co-ST)对MB(20 mg/L)的90分钟吸附率达97.50%。吸附符合准二级动力学模型，Langmuir模型计算最大吸附容量为34.48 mg/g。再生实验显示材料经5次循环后效率仍保持90%以上。

该研究通过实验与理论计算的相互验证，阐明磺化共聚物中-SO₃H与MB的静电作用、π-π堆积和氢键协同吸附机制。所开发的SP(AN-co-ST)不仅为染料废水处理提供新型吸附剂，其DFT指导的材料设计策略更为功能高分子开发提供范式。作者Nazly Hassan等指出，该材料在纺织、印染等工业废水处理中具有直接应用前景，后续将探索其规模化生产与固定化床反应器集成工艺。