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1、文章编号:1001-8948(2008)03-0034-04纳米孔聚乙酸乙烯酯-活性炭复合材料的制备及吸附性能研究王改娟,周志平(江苏大学 材料科学与工程学院,镇江212013)摘要:用稻壳制备出比表面积为1 100m2/g,平均孔径为3.8nm 的活性炭作为无机相,用乙酸乙烯酯作为有机相,制备纳米孔聚丙烯酸-活性炭复合材料,并测试其对染料的吸附。结果发现经聚合物修饰过的活性炭吸附能力增强,而且以化学吸附为主,不会随时间延长而导致被吸附物质脱落。关键词:纳米孔;聚乙酸乙烯酯;活性炭;复合材料;吸附中图分类号:T B332文献标识码:APREPARATION AND ADSORPTION PRO
2、PERTIES OFNANO-POLYVINYL ACETATE-ACTIVED CARBONCOMPOSITE MATERIALWang Gai-juan,Zhou Zhi-ping(School of Material Science and Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)Abstract:Firstly,we prepared husk-based activated carbon used as the inorganic phase,which has thespecific surface area of
3、 1 100m2/g and the average pore size of 3.8nm,and polyvinyl acetate used as theorganic phase.T hen we prepared composite materials of pdycrylic acid-activated carbon and tested theiradsorption ability for dye.We found that the adsorption capacity of activated carbon modified by thepolymer increased,
4、which is mainly chemical adsorption,and it would not loss the dye with time.Key words:nano-holes;polyvinyl acetate;activated carbon;composite materials;adsorption1引言多孔材料是人们最先认识的纳米材料之一 1,纳米多孔材料具有大比表面积、高孔隙率、低密度、高的透过性、可组装性和高吸附性等诸多性能。近年来,纳米多孔有机-无机复合颗粒的研究引起了人们极大的关注 2,3。纳米多孔聚合物-无机复合材料是在无机相区和高聚物相区至少有一维在 01
5、00nm 范围内的复合材料,它实现了有机高分子材料和无机材料的分子级结合 4,5。这种复合使材料在力学性能、耐高温、耐磨损、柔韧性、功能性等方面表现出单体有机高分子材料或无机材料所不具备的优越性能 6,7,使其具有更广阔的应用前景 8。2试验与表征2.1稻壳基活性炭制备取一定量已去除杂质的稻壳,用清水洗净,放入80电热恒温干燥箱烘干数天后,将干燥恒重后的收稿日期:2008-04-05基金项目:国家自然科学基金资助项目(20774038)作者简介:王改娟(1984-),女,陕西西安人,在读硕士,师从周志平教授,从事纳米孔聚合物-无机复合材料吸附性能研究。34炭素CARBON2008 年第3 期总
6、第135期稻壳过40 目筛,去除筛下物。将筛分后的稻壳放入程序升温炉内,于550在氮气保护下炭化4h。将炭化物粉碎后与NaOH 以13 质量比进行均匀混合,在400下预处理30min,再升温到700,进行高温活化1.5h,完成稻壳活性炭活化。所得物用水反复冲洗至中性,110下烘干(记为AC)11。纳米孔聚合物-无机复合材料将无机纳米材料与聚合物的功能性相结合,且保留纳米孔的存在为材料的应用提供了通道,比如质子的传送、溶液的运输、气体的扩散、各种生物反应的快速进行,另外还提高了孔的抗机械压缩性能的稳定性、耐热、耐化学性。智能化和功能化聚合物-无机纳米复合材料的研究成为其应用的一个重要方向 9,1
7、0。本文采用纳米多孔炭为无机相,与有机相乙酸乙烯酯复合,制备出的纳米多孔聚合物-无机复合材料,使活性炭吸附能力增强,且以化学吸附为主,不会随时间延长而导致被吸附物质脱落。2.2纳米孔聚乙酸乙烯酯-活性炭(PVAc-AC)制备将得到的稻壳活性炭泡在63%的浓硝酸中80下搅拌3h,过滤、水洗然后烘干。称取所制0.5g 活性炭,平铺于反应玻璃瓶底部。然后将乙酸乙烯酯溶于丙酮中,并将混合溶液滴入瓶底,搅拌粉末。将瓶口密封,放入温度为0的冷藏室中冷藏4h,取出瓶子,向瓶中充入3min 氮气;再将密封瓶放入0的冷藏室中冷藏3h,取出瓶子,向瓶中充入3min 氮气。最后将瓶子置于真空烘箱 80中数小时,乙醇
8、清洗数遍再烘干(记为PVAc-AC)。2.3纳米孔聚乙酸乙烯酯-活性炭对染料的吸附选取亚甲基蓝作为一种典型染料,准备两组6个100ml 三角烧瓶,均装有20ml 浓度为 30mgL-1的亚甲蓝标准溶液,分别放入10mg AC 和PVAc-AC,依次搅拌5、10、20、25 和30h,再分别倒入离心管中用离心机离心分离,从各个离心管中取清液1ml,在紫外670nm 处用比色的方法测定亚甲基蓝的含量。2.4分析表征样品内部形貌分析采用日本JEM-2000 高分辨透 射电子显微镜(T EM)观测样品的 结构于200kV 下获得;氮气吸附-脱附等温线、比表面积和 孔 体 积 采 用 美 国 Quant
9、achrome 公 司 的NOVA2000e 高速自动比表面与孔隙度分析仪在77K 下测得;热失重分析采用德国 Netzsch STA-449C 综合热分析仪测定(氮气气氛,25700,升温速率20/min。3结果与讨论3.1吸附-脱附曲线分析图1 显示的是样品 PVAc-AC 的氮气吸附-脱附曲线,从图中可以观察到,样品PVAc-AC 基本保持着AC 的形状,从下表中相应的结构参数,可以看到合成的AC 的BET 比表面积为1 100m2g-1,平均孔径为 3.8nm,孔道容积为 0.67cm3g-1,引入PVAc 后,PVAc-AC 材料的比表面积和孔道容积有所下降,比表面积降至 560m2
10、g-1,孔道容积也减少了很多。这表明当大量PVAc 在活性炭的孔洞中形成后,使孔结构与改性之前基本保持着相似性。图1样品AC 和PVAc-AC 的氮气吸附/脱附等温线Fig.1Nitrogen adsorption isotherms ofAC and PVAc-AC at 77K表样品AC 和PVAc-AC 的孔结构参数T ableStructural characteristics of thedifferent carbonssampleSurface/m2g-1Pore Size/nmPore volume/cm3g-1AC1 1003.80.67PVAc-AC5602.90.413.
11、2热失重分析图 2 显示 的是 PVAc-AC 样品 的热失重分 析(T GA)曲线,可以看到,PVAc-AC 样品在 100300期间有一个明显的失重,之后趋于水平,这表35第3 期王改娟等纳米孔聚乙酸乙烯酯-活性炭复合材料的制备及吸附性能研究示是PVAc 的失重,大约为35%。由于样品已经用乙醇反复清洗,所以,可以断定,高达 35%的PVAc 几乎都存在于活性炭的孔内,而不是包覆在外表面。这正是AC 引入PVAc 后比表面积、孔径、孔容下降的原因。图2PVAc-AC 在氮气中的热失重曲线Fig.2Thermogravimetric curves for PVAc-AC3.3AC 和PVAc
12、-AC 的形貌特征图3 显示的是样品AC 和 PVAc-AC 的T EM图,可以看到,样品AC 内部具有类似孔道的结构,样品PVAc-AC 内部仍存在大量孔结构,但比样品AC 孔有减少,这说明AC 引入PVAc 后孔结构没有被破坏,这种孔结构为材料最终用作吸附材料提供了良好的条件。3.4PVAc-AC对亚甲基蓝的吸附行为PVAc-AC 对亚甲基蓝的吸附曲线如图 4 所示,从图4 可以看出,PVAc-AC 对亚甲基蓝的吸附量随着时间增加而增加,最终达到平衡,没有出现已经吸附在PVAc-AC 上的亚甲基蓝随着时间延a样品ACb 样品PVAc-AC图3样品AC 和PVAc-AC 的T EM 图Fig
13、.3TEM image of AC and PVAc-AC图4AC 和PVAc-AC 时间对亚甲基蓝吸附的影响Fig.4T he effect of contacting timeon adsorption长脱落的情况,而活性炭对亚甲基蓝的吸附量起初随着时间增加,但在20 小时后却出现下降趋势。这是因为PVAc-AC 对废水中亚甲基蓝发生在液固相界面上,是PVAc 修饰后的活性炭产生的吸附,以化学吸附为主,活性炭仅仅是物理吸附。4结论本文介绍了利用资源丰富,价格低廉的稻壳作为原材料制备活性炭,制备出 BET 比表面积为1 100m2g-1,平均孔径为 3.8nm,孔道容积为0.67cm3g-1
14、的多孔活性炭,采用聚乙酸乙烯酯改性其内表面,即引入大约为 35%的PVAc 后,使AC的BET 比表面积下降到560m2g-1,平均孔径下降到2.9nm,孔道容积下降到0.41cm3g-1。用AC 和36炭素2008 年PVAc-AC 吸附亚甲基蓝,实验结果表明,到 20 小时 AC 和PVAc-AC 对亚甲基蓝吸附量分别达到277mg/g 和 408mg/g,随后 AC 对亚甲基蓝吸附量逐渐下降,而PVAc-AC 对亚甲基蓝的吸附达到平衡状态。这说明对吸附效果影响最大的是孔结构和孔表面形态,必须具有使吸附物质流通的空间和较强的化学作用,才能达到最佳吸附效果。参考文献 1 Kresge CT,
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