新型4-乙烯基吡啶改性聚合物PVP-g-HEMA：高效吸附溴酸盐（BrO3?）保障饮用水安全

本研究开发了一种新型接枝共聚物PVP-g-HEMA，通过将4-乙烯基吡啶（4-VP）接枝到甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）上，成功实现了对致癌性溴酸盐（BrO3?）的高效吸附（95.2%去除率）。该材料在pH 4条件下20分钟内即可达到最大吸附容量（qmax=0.36 mg/g），遵循Langmuir等温模型，兼具物理与化学吸附机制，且具备优异的再生性（97.94%解吸效率），为饮用水安全治理提供了创新性解决方案。

　　

Structural and morphological investigation of the PVP-g-HEMA Adsorbent

PVP-g-HEMA聚合物的傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析（图2a）显示出多个特征吸收峰，证实了4-乙烯基吡啶（4-VP）和甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）的成功化学整合。关键吸收峰位于3741、2970、2927、2886、1700、1649、1557、1510、1453、1371、1269、1176和1078 cm?1处。3741 cm?1处的宽峰对应O–H伸缩振动，表明羟基官能团存在；2970 cm?1和2927 cm?1处的峰归属于C–H伸缩振动；1700 cm?1处的强峰为酯羰基（C=O）特征信号；1649 cm?1处的峰源于吡啶环的C=C和C=N振动；1557 cm?1和1510 cm?1处的吸收带与吡啶环的骨架振动一致；1453 cm?1处的峰与CH₂弯曲振动相关；1371 cm?1处的峰来自C–H变形振动；1269 cm?1处的峰为C–O–C不对称伸缩振动；1176 cm?1和1078 cm?1处的峰则对应C–O伸缩振动和O–H弯曲模式。这些光谱特征共同证明了HEMA和4-VP的成功接枝共聚。

X射线衍射（XRD）图谱（图2b）显示在2θ=15°和25°处存在宽泛弥散峰，表明PVP-g-HEMA具有非晶态结构，这种无定形特性有利于吸附位点的暴露和污染物扩散。扫描电子显微镜（SEM）图像（图2c）揭示出材料表面呈不规则多孔形态，具有明显裂隙和粗糙纹理，这种形态为溴酸盐离子提供了丰富的吸附界面和传质通道。X射线光电子能谱（XPS）全谱扫描（图2d）显示出C1s、O1s和N1s的清晰信号峰，进一步证实了聚合物中碳、氧、氮元素的存在，其中N1s峰直接源于吡啶环中的氮原子，为溴酸盐吸附提供了活性位点。

Conclusions

本研究开发了一种新型功能性共聚物PVP-g-HEMA，通过以AIBN为引发剂、EGDMA为交联剂，将4-乙烯基吡啶接枝到甲基丙烯酸羟乙酯上制备而成。分析技术证实了其成功整合的化学功能团、热稳定性及非晶形态。实验评估表明，该合成材料能有效去除水体中的溴酸盐（BrO₃^?），最高去除率达95.2%（pH 4，20分钟）。吸附行为符合Langmuir等温模型（q_max=0.36 mg/g），动力学分析表明其同时涉及物理与化学作用。热力学研究证明该过程为自发、放热反应。此外，聚合物表现出卓越的再生能力，使用1 M NaOH可实现97.94%的解吸效率。这些结果凸显了PVP-g-HEMA作为一种高效、可再生吸附剂在快速去除水中溴酸盐方面的应用潜力，为安全饮用水保障提供了可靠材料。