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活性炭國(guó)家專(zhuān)精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

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活性炭從水溶液中去除離子聚合物的影響
文章作者:韓研網(wǎng)絡(luò)部 更新時(shí)間:2023-1-5 16:04:33

  活性炭從水溶液中去除離子聚合物的影響

  碳質(zhì)材料廣泛應(yīng)用于工業(yè)和水處理技術(shù)中。然而,最受歡迎的是它們?cè)谌コ亟饘俜矫娴膽?yīng)用。目前廢水中還存在許多其他物質(zhì)。因此,同時(shí)去除具有各種化學(xué)特性的分子是一個(gè)非常重要的問(wèn)題,需要解釋和廣泛研究。活性炭吸附劑表面的吸附也可成功用于水體修復(fù)所有類(lèi)型的污染物。由于聚合物在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)學(xué)的各個(gè)分支中的廣泛應(yīng)用,它們?cè)趶U水中大量存在。它們通常是合成物質(zhì),其對(duì)生物體的影響尚未得到完全解釋?zhuān)⑶铱赡芫哂袧撛谖kU(xiǎn)。出于這個(gè)原因,需從水生環(huán)境中去除聚合物好的方法,滿(mǎn)足這一標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)之一是使用活性炭吸附。

  吸附劑和吸附物

  用作吸附劑使用的是兩種前體制造的活性炭,都用50%磷酸溶液浸漬并在氮?dú)鈿夥罩屑訜,第一步?00℃(升溫5℃/分鐘)30分鐘,第二個(gè)在500℃(升溫5℃/分鐘)下30分鐘。獲得的活性炭分別表示為活性炭1和活性炭2;钚蕴康慕Y(jié)構(gòu)表征基于在–196℃下在吸附儀ASAP上測(cè)量的氮?dú)馕?解吸等溫線(xiàn)。聚丙烯酸和聚乙烯亞胺用作吸附物。它們的特征在于重均分子量等于2000Da。聚丙烯酸是一種弱聚電解質(zhì),具有陰離子特性(羧基存在于其大分子中),pKa值約為4.5。因此,在進(jìn)行所有測(cè)量的pH值為3時(shí)其電離最小。聚乙烯亞胺是一種陽(yáng)離子聚合物(胺基存在于其鏈中),pKb值約為9。在pH值為3時(shí),聚乙烯亞胺分子以完全解離的形式出現(xiàn)。

  不同溫度下聚丙烯酸和聚乙烯亞胺單一和混合溶液中活性炭的吸附-解吸特性

  在pH3和三個(gè)檢測(cè)溫度下,兩種聚合物在活性炭表面的吸附量(以mg/g和聚合物去除百分比表示)在pH3的單一和混合吸附物系統(tǒng)中如圖1和圖2所示。

  圖1:聚丙烯酸吸附量(a)及其從活性炭表面去除的百分比(b)在單一和混合吸附物系統(tǒng)中,在三個(gè)檢測(cè)溫度pH值3下。

  圖2:聚乙烯亞胺吸附量(a)及其從活性炭表面去除的百分比(b)在單一和混合吸附物系統(tǒng)中,在三個(gè)檢測(cè)溫度pH3下。

  先前對(duì)活性炭表面電荷密度的研究證實(shí)了這兩種吸附劑的酸性。活性炭1的零電荷點(diǎn)(pzc)出現(xiàn)在pH3.1時(shí),如果是活性炭2,則出現(xiàn)在pH4.0。這意味著在進(jìn)行聚合物吸附的pH值為3時(shí),活性炭1表面幾乎是中性的,而活性炭2表面略帶正電。因此,靜電條件對(duì)pH值為3時(shí)的聚合物吸附影響很小,僅對(duì)于最小解離的聚丙烯酸大分子,活性炭2表面發(fā)生弱靜電吸引。由于在活性炭1的情況下,官能團(tuán)含量相當(dāng)高,平均孔徑明顯更大,在所有檢測(cè)溫度下,聚丙烯酸在這種碳質(zhì)材料表面上的吸附高于活性炭1表面,無(wú)論是來(lái)自單一吸附物系統(tǒng)還是混合吸附物系統(tǒng)。由于其官能團(tuán)的完全解離和更多的拉伸構(gòu)象導(dǎo)致固體孔進(jìn)入阻塞,聚乙烯亞胺吸附相當(dāng)?shù)汀?/p>

  對(duì)于聚丙烯酸(圖1),溫度對(duì)所檢測(cè)聚合物吸附量的影響明顯大于聚乙烯亞胺(圖2)。最大的差異發(fā)生在活性炭2上,其在15℃時(shí)的吸附低于25℃和35℃時(shí)的吸附,注意到吸附在25℃時(shí)達(dá)到最大值(約198mg/g)。在15℃時(shí),聚丙烯酸大分子具有近乎理想的構(gòu)象(流體動(dòng)力學(xué)半徑最小0.53nm)。這種盤(pán)繞構(gòu)象限制了聚合物官能團(tuán)向固體表面的暴露(它們相互作用主要形成氫鍵)并且觀察到最小的聚丙烯酸吸附水平。此外,接近θ和臨界溫度條件使聚合物線(xiàn)圈在水中的溶解度降低,這影響了它們?cè)诮缑嫣幏e累的趨勢(shì)。在25℃時(shí),聚丙烯酸在活性炭1表面上的最大吸附可能是由于吸附線(xiàn)圈中聚合物鏈段的堆積較小,尺寸較大(Rh假設(shè)值為0.77nm)和聚合物對(duì)溶劑分子的親和力增加,其質(zhì)量得到改善。這些因素使聚合物羧基與活性炭1吸附劑表面有效相互作用,并使大分子有效滲透到該固體孔中。另一方面,在35℃時(shí),聚丙烯酸吸附比25℃時(shí)小約6mg/g,這是由于聚合物鏈的流體動(dòng)力學(xué)半徑進(jìn)一步增加,導(dǎo)致吸附的聚丙烯酸構(gòu)象更平坦帶正電的活性炭1表面上的鏈。這導(dǎo)致部分阻塞了用于吸附大分子的固體孔的入口。在聚乙烯亞胺和混合吸附物系統(tǒng)的情況下,溫度影響相當(dāng)小,并且在大多數(shù)情況下,它仍在測(cè)量誤差范圍內(nèi)。

  25℃下在活性炭表面形成的聚合物吸附層的XPS研究

  聚丙烯酸和聚乙烯亞胺吸附前后活性炭樣品的XPS譜圖(圖3、圖4)確認(rèn)被測(cè)活性炭表面形成高分子薄膜。由于聚(丙烯酸)吸附,觀察到碳含量顯著降低,同時(shí)氧氣的貢獻(xiàn)增加。這證明聚合物(富含羧基)永久鍵合到吸附劑表面。對(duì)于含有活性炭和聚乙烯亞胺的系統(tǒng),觀察到的情況略有不同。由于富含氮功能物種的聚合物的吸附,氮和氧的貢獻(xiàn)同時(shí)增加。然而,氮含量幾乎是沒(méi)有聚合物的系統(tǒng)的三倍。這清楚地表明聚合物與活性炭表面的永久結(jié)合。在同時(shí)包含碳質(zhì)吸附劑和兩種聚合物的系統(tǒng)的情況下,我們有非常相似的關(guān)系。兩種雜原子含量的增加甚至比前面討論的系統(tǒng)還要多。這可能表明單個(gè)聚合物分子之間的相互作用。

  圖3:在25℃下吸附聚合物之前和之后活性炭表面的元素組成。

  圖4:聚合物吸附前活性炭的C1s(a)和O1s(b)光譜。

  活性炭從水溶液中去除離子聚合物的影響,通過(guò)化學(xué)活化兩種原材料獲得的活性炭可用作不同溫度(在15-35℃范圍內(nèi)變化)水溶液中聚丙烯酸和聚乙烯亞胺的有效吸附劑。溫度升高導(dǎo)致兩種受檢聚合物的聚合物鏈線(xiàn)性尺寸增加(表示為均方根鏈端到端距離和流體動(dòng)力學(xué)半徑)。在15℃時(shí)接近聚丙烯酸線(xiàn)圈(另外在pH3下最低限度地解離)具有最小尺寸(流體動(dòng)力學(xué)半徑為0.53nm)。由于聚乙烯官能團(tuán)在pH3時(shí)完全解離,聚乙烯亞胺大分子的線(xiàn)性尺寸大于聚丙烯酸。溫度對(duì)聚丙烯酸聚合物吸附量的影響明顯大于聚乙烯亞胺。最大的差異發(fā)生在活性炭上,其吸附在25℃時(shí)達(dá)到最大值(約198mg/g)。這可能是由于吸附線(xiàn)圈中聚合物鏈段的堆積較小以及聚合物對(duì)溶劑分子的親和力增加(促進(jìn)大分子滲透到固體孔中)。熱力學(xué)研究表明,高分子物質(zhì)的吸附過(guò)程是自發(fā)的,具有吸熱性,主要通過(guò)形成氫鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。

文章標(biāo)簽:椰殼活性炭,果殼活性炭,煤質(zhì)活性炭,木質(zhì)活性炭,蜂窩活性炭,凈水活性炭.

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