有序介孔碳吸附剂的研究进展

有序介孔碳吸附剂的研究进展

闻振涛, 万 颖*

(上海师范大学生命与环境科学学院,上海200234)

摘 要:介绍了有序介孔碳吸附剂在吸附中的重要作用,总结了有序介孔碳应用于处理染料废水,去除水中芳香有机污染物,去除重金属离子以及吸附生物分子中的研究现状。展望了有序介孔碳应用于吸附的发展前景。

关键词:有序介孔碳;吸附剂;研究进展中图分类号:TQ 085+

4 文献标志码:A 文章编号:0367 6358(2011)07 0434 03

R esearch Progress of Ordered M esoporous Carbons as Sorbent s

WEN Zhen tao, WAN Ying

*

(Dep ar tment of Chemistr y ,S hang hai Normal Univ er sity ,S hang hai 200234,China)

Abstract:The recent research prog ress of o rdered mesoporo us carbo ns in adso rption o f pollutants such as dye,o rganic arom atics,heavy metal ions and biomolecules,such as v itamin E,w as review ed.T he futur e development of the order ed mesopo rous carbons as sorbents w as also predicted.Key w ords:ordered meso poro us carbo ns;sorbents;research pro gress

收稿日期:2011 05 10

作者简介:闻振涛(1986~),男,硕士生。

*E mail:yw an @ 当前,工业中常用的吸附剂大多为微孔材料,主要包括:氧化物分子筛,碳分子筛,活性炭,活性炭纤维,碳纳米管和石墨纳米纤维等。但是,微孔材料存在许多问题,比如微孔太多,使孔的利用率太低;微孔吸附后难脱附,使其再次利用比较困难;微孔孔径过小,不能有效的吸附大分子污染物等。

有序介孔碳由于具有高的表面积,大的孔体积,良好的孔道稳定性,使其不仅具有比活性碳更高的吸附容量而且具有良好的重复利用性;有序介孔碳孔径比活性炭等微孔吸附剂孔径大,使其更容易吸附大分子有机物;通过调节合成时的投料比可以改变有序介孔碳的孔结构,进而使其可以选择性吸附不同种类的吸附质。

有序介孔碳材料一般都是经过纳米灌注的方法合成的,以介孔二氧化硅为硬模板,在介孔氧化硅的孔道中灌注碳源,高温碳化后得到二氧化硅/碳复合材料,通过氢氟酸或氢氧化钠溶液溶解除去氧化硅

得到介孔碳材料

[1]

。Zhao 等

[2]

用三嵌段共聚物

F127为模板,以用苯酚和甲醛制备相对分子质量低

的酚醛树脂为碳源,通过溶剂挥发自组装(EISA ),热聚过程,高温煅烧等步骤,合成了有序介孔碳材料。有序介孔碳已经成为新型的高效吸附剂,在吸附领域有巨大的应用前景。1 有序介孔碳在水处理中的应用

1.1 处理染料废水

染料废水是当前最严重的水体污染物之一,它的污染成分复杂,水体影响因素多,色度大,因此处理非常困难。Yuan 等[3]

以SBA 15和NaY 分子筛为模板合成了不同孔径大小的有序介孔碳材料,研究了材料对亚甲基蓝和中性红的吸附。结果表明,孔径大于3.5nm 的有序介孔碳能够高效吸附亚甲基蓝,当孔径较小时对中性红的吸附性能更好。Yan 等[4]用酸和碱处理过的沸石为模板,糠醛为碳源,通过气相沉积聚合的方法合成介孔碳,把其应用

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于亚甲基蓝的吸附研究。实验发现,以酸处理过的沸石为模板合成的介孔碳吸附量为223mg/g,以碱处理过的沸石为模板合成的介孔碳的吸附量为380 mg/g。把介孔碳用水处理后能够提高其吸附速率,但是其吸附量基本保持不变。

Zhuang等[5]用软模板法合成有序介孔碳,以表面活性剂F127为模板,酚醛树脂为碳源,合成有序介孔碳材料,首次把其应用于研究水中大体积染料分子吸附,结果表明此介孔碳对染料的吸附量是商业活性炭的两倍,并且介孔碳对低浓度的染料有较高的吸附率,高达99%,无论是对碱性染料,酸性染料还是对偶氮染料都有很好的吸附性能。吸附后的介孔碳仍然很稳定,可以重复利用。染料分子的空间尺寸在介孔碳的吸附过程中起了决定性作用,当吸附小尺寸的染料分子时,孔径小的介孔碳利于吸附,当吸附尺寸大的染料分子时,孔径大的介孔碳利于吸附。

碳材料对染料的吸附量至少达到200m g/g,才能被认为是好的脱色碳[6],前面提到的有序介孔碳材料对染料的吸附量均大于200mg/g,有序介孔碳材料在染料废水的处理中具有重要的应用价值。1.2 去除水中芳香有机污染物

M ar czew ski[7]研究了有序介孔碳对硝基苯,4 硝基苯酚,4 氯苯酚等3种有机物的吸附。动力学研究结果显示,材料对有机物的吸附速率比微孔碳的吸附速率高。

有序介孔碳表面的官能团相当于一个活性位,在材料吸附有机物的过程中起了非常重要的作用。通过改变有序介孔碳表面官能团组成能够提高吸附剂的吸附性能。Anbia等[8]通过MCM 48氧化硅材料为模板,蔗糖做碳源,合成了有序介孔碳,并用硝酸改变介孔碳的表面化学性质。把未处理的介孔碳和氧化处理后的介孔碳用于吸附水相中的萘,萘酚,1,5 二氨基萘等。结果表明,氧化处理过的有序介孔碳对三种有机物的吸附量分别为1.6、2.3、2.8 mm ol/g,远大于未处理的有序介孔碳对三种有机物的吸附量:1.36、1.25、1.1mm ol/g。表现出更高的吸附容量。A nbia等[9]用不同尺寸大小的MCM 48氧化硅材料为模板,蔗糖做碳源合成了高度有序的碳分子筛,然后用苯胺处理改变表面官能团修饰。用此材料吸附苯酚,间苯二酚,对甲酚等有机物,发现其呈现出比CM K 1更高的处理能力,介孔碳分子筛对间苯二酚的吸附量大于对其他酚类衍生物的吸附量。H e等[10]通过在CM K 3表面嫁接辛基进行改性,改性后的材料对苯酚的吸附量为720 mol/g,高于CM K 3对苯酚的吸附620 mo l/g。

有序介孔碳对有机物的吸附同样受到温度,pH 等因素影响。Sui等[11]用CM K 3研究对双酚A的吸附,吸附试验表明CM K 3能够有效去除水中的双酚A,动力学数据遵循二阶模型,而且CM K 3的吸附速率大于活性炭的速率。在温度20~40 C范围内,CMK 3的吸附量随温度的升高而降低。溶液的初始pH值在3~9范围内,CMK 3对双酚A的吸附量变化很小,而pH值在9~13范围内,由于双酚A的质子化,CMK 3对双酚A的吸附量明显降低。

1.3 去除重金属离子

郭卓等[12]以SBA 15为模板,制备3种具有不同孔径大小的有序介孔碳CM K 3,研究了有序介孔碳材料对铬Cr( )的吸附能力。结果表明,介孔碳的投入量、pH值、震荡时间等因素均对Cr( )的吸附效果存在一定影响.研究显示,当pH= 2.0~ 4.0时,有序介孔碳对Cr( )的吸附最有利,3种有序介孔碳吸附能力都超过90%。CM K 3展现出比活性碳更高的吸附量,更快的吸附速率。

为了增加有序介孔碳对重金属的吸附容量,可以对有序介孔碳进行改性。陈田等[13]把有序介孔碳通过先氧化、后氯化、再胺化处理,得到不同胺基接枝量的胺化有序介孔碳。以有序介孔碳、胺化有序介孔碳作吸附剂对Cu(II)、Cr(VI)进行选择性吸附研究.结果表明:功能化修饰前,样品对Cu(II)、Cr(VI)饱和吸附量分别为213.33、241.55mg/g;修饰后饱和吸附量可分别达到495.05、68.21mg/g.功能化介孔碳表现了较强的选择性吸附Cu(II)的能力。Lee等[14]用羧甲基化聚乙烯亚胺通过普通的吸附方法对介孔碳CMK 1进行功能化。把CM K 1和功能化的CMK 1用作吸附剂,研究材料对水溶液中Cu(II)的吸附行为。结果显示,两种介孔碳对Cu(II)的吸附行为都符合lang muir吸附,而且功能化的CM K 1对Cu(II)的吸附量是未处理的CM K 1吸附量的10倍。当溶液中Cu(II)的浓度低于0.02m mol/L时,功能化的CM K 1可以把溶液中的Cu(II)完全吸附。

1.4 吸附生物分子

生物分子,如氨基酸,维生素等是人体必不可少的物质。用化学合成方法合成生物分子的成本太大,所以当前获得的主要途径为从动物或者植物中提取,因此,高效的分离提纯方法显得尤为重要。有序介孔碳材料具有好的生物适配性,能够高效的吸附生物分子,在生物分子的分离提纯中具有重要的

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第7期化 学 世 界