王紅寧,朱 婷,清 江,黃 麗,黃維秋,馬騰洲,陳若愚
1.常州大學精細石油化工江蘇省重點實驗室,江蘇 常州 213164;
2.常州大學江蘇省油氣儲運技術重點實驗室,江蘇 常州 213016;
3.上海海關工業(yè)品與原材料檢測技術中心,上海 200135
揮發(fā)性有機化合物(VOCs)是最常見的空氣污染物之一,是產生溫室效應的主要原因,直接損害機體健康,降低人體免疫力[1-2]。商業(yè)上用于減少VOCs的方法主要有燃燒法[3]、生物降解法[4]、膜分離法[5]、等離子體技術[6]和吸附法[7]等,其中吸附法因操作簡便被認為是最有效的策略之一[8]。
多孔材料的結構特性和各種改性對VOCs的吸附性能有很大的影響[9]。比表面積大且含有豐富雜原子的碳材料成為了研究熱點。表面積增大對于增加暴露給客體分子的碳活性點數(shù)量至關重要,而雜原子可以改變碳的表面電子分布,從而賦予它們特定的功能。摻雜雜原子多孔碳的制備有兩種方法:(1)熱解含雜原子的碳前體,然后進行化學活化或物理活化[10-14];(2)預合成多孔碳,然后用含有雜原子的化合物處理[15-19]。傳統(tǒng)方法大多在極高的溫度(>600 ℃)下進行,合成路線復雜,原料昂貴,需要一種更有效的方法對多孔碳進行雜原子摻雜。
研究表明氨基鈉(NaNH2)可以作為活化劑和氮摻雜劑[20-21]。最近發(fā)現(xiàn)[22-23],納米SiO2不僅能夠刻蝕碳原子形成納米通道,還能取代氧原子引入氮原子,本工作將以中空碳納米球(HCNS)作為空心碳納米球,通過NaNH2活化HCNS實現(xiàn)一種制備氮摻雜多孔碳的有效方法,提高活化后材料微孔數(shù)目和表面積,進一步考察活化劑與HCNS的質量比和活化溫度對HCNS活化性能的影響。
室溫攪拌下將10.4 mL正硅酸四丙酯(TPOS)加入到乙醇(210 mL)、水(30 mL)和NH3·H2O(9 mL)的混合溶液中,攪拌20 min后加入1.20 g間苯二酚和1.68 mL甲醛,繼續(xù)攪拌24 h后離心分離;濾餅用水和乙醇洗滌,60 ℃下干燥過夜,即得RF@SiO2復合材料。
在N2氛圍下以2 ℃/min的升溫速率將RF@SiO2加熱至700 ℃并保持5 h進行碳化。將碳化后的樣品分散在含有質量分數(shù)為10%的HF水溶液中,室溫下攪拌24 h刻蝕SiO2,離心分離后用乙醇和水洗滌,60 ℃下干燥過夜,即得HCNS樣品。
將NaNH2與HCNS以一定的質量比進行研磨混合,在N2氛圍下以10 ℃/min的速率升溫至400 ℃后保持1 h活化;然后水洗至中性,60 ℃下干燥過夜,得到活化樣品HCNS-x-y(x是NaNH2與HCNS的質量比,y為活化溫度)。
采用JEM-1200EX透射電子顯微鏡(TEM)和X射線粉末衍射儀(XRD)分析材料結構;利用Nicolet-460傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)分析樣品的重要官能團;采用全自動比表面積和孔隙分析儀Trstar II 3020分析樣品表面吸附結構,通過Brunauer-Emmett-Teller(BET)方程計算樣品的比表面積;采用Labsys Evo熱失重分析儀(TG/DTA)檢測材料的受熱變化過程。用GC-950型氣相色譜儀檢測流出氣體的濃度,SE-54毛細管(30 m×0.25 mm×0.33 μm)、氫火焰檢測器和N2000色譜離線工作站。柱爐溫度為100 ℃,氣化溫度為150 ℃,檢測溫度為150 ℃;氮氣、氫氣和空氣的流速分別為30,30和180 mL/min。
將裝有一定質量吸附質(甲苯、正己烷或92#汽油)的保干器放在恒溫水浴槽中,讓吸附質揮發(fā)48 h;取約0.2 g吸附劑于稱量瓶內,于100 ℃下真空預處理2 h;然后將稱量瓶放置到保干器隔板上方,在25 ℃下保證吸附質與吸附劑充分接觸24 h,之后將該吸附劑在100 ℃真空條件下解吸75 min。根據(jù)吸附劑吸附-解吸前后的質量變化,由式(1)和式(2)計算吸附劑的靜態(tài)吸附容量和解吸效率。
式中:X和Y為樣品的吸附容量和解吸率;m1和m2是樣品吸附前后的質量,g;m3和m4是樣品脫附前后的質量,g。
將裝有吸附質(正己烷或者甲苯)的容器置于恒溫水浴中,產生的正己烷或者甲苯氣體和空氣混合后流過緩沖瓶,通過調節(jié)兩路氣體流量及水浴溫度,得到一定質量濃度的正己烷或者甲苯氣體,然后通入吸附柱進行動態(tài)吸附實驗。動態(tài)吸附容量可由式(3)計算。
式中:q為吸附劑的動態(tài)吸附容量,g/g;CA和C0分別為通過固定床塔物流的出口和入口濃度,g/L;FA為VOCs和空氣的混合氣體流量,L/min;t為吸附時間,min;w為吸附床中吸附劑的質量,g。
圖1為樣品HCNS-x-400的N2吸附-脫附等溫線(a)和孔徑分布(b)。由圖1(a)可知,所有樣品都是典型的IV型等溫線,H4型回滯環(huán),表明所有樣品均具有介孔結構;圖1(b)顯示活化后樣品具有相對窄的孔徑分布。各樣品的孔結構參數(shù)見表1。由表1可知,HCNS的比表面積(SBET)、孔容(Vt)、微孔比表面積(Sm)和微孔孔容(Vm)較小,經NaNH2活化后HCNS-y-400的SBET,Vt,Sm和Vm略有增加。隨著NaNH2質量的不斷增加,SBET和Vt是先增加后減小的,當NaNH2:HCNS為3:1時,即樣品HCNS-3-400的SBET和Vt最大;當NaNH2:HCNS進一步增加到4:1時,SBET和Vt開始減??;而隨著NaNH2質量的不斷增加,Sm和Vm是一直增加的??讖揭彩请S著NaNH2質量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,NaNH2:HCNS比為3:1時,平均孔徑最大為6.4 nm。
圖1 樣品HCNSs的N2吸附-脫附等溫線(a)和孔徑分布(b)Fig.1 N2 adsorption-desorption isotherms(a) and pore size distributions(b) of HCNSs
表1 不同樣品的孔結構參數(shù)Table 1 Pore structural parameters of different samples
進一步測定了不同活化溫度下得到的樣品HCNS-3-y的N2吸附-脫附等溫線和孔徑分布,結果見圖2??梢钥闯?,在不同溫度下活化后的HCNS-3-y樣品均具有介孔結構且樣品孔徑分布較寬。從表1中可以發(fā)現(xiàn)隨著活化溫度的不斷增加,樣品HCNS-3-y的SBET和Vt是先增加后減小的。當活化溫度為500 ℃時,HCNS-3-500具有最大的SBET和Vt;當活化溫度進一步提高到600 ℃時,SBET和Vt驟減。隨著活化溫度的不斷升高,Sm和Vm是一直增加的。孔徑是隨著活化溫度的升高而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,其中,活化溫度為500 ℃時,孔徑最大,為6.5 nm。
圖2 樣品HCNS-3-y的N2吸附-脫附等溫線(a)和孔徑分布(b)Fig.2 N2 adsorption-desorption isotherms (a) and pore size distributions (b) of HCNS-3-y
圖3為不同樣品的TEM圖像。由圖3可知,HCNS的粒徑和壁厚分別約為426 nm和63 nm(圖3a);樣品HCNS-3-400的粒徑和壁厚減小至352 nm和48 nm(圖3b);活化溫度繼續(xù)提高,樣品的粒徑和壁厚會持續(xù)減小,樣品HCNS-3-600的粒徑和壁厚分別為217 nm和19 nm,空心球的墻壁變得更加疏松(圖3d)。
圖3 樣品HCNS和HCNS-3-y的TEM照片F(xiàn)ig.3 TEM images of HCNS and HCNS-3-y
不同樣品的FT-IR圖譜見圖4。如圖4所示,3 420 cm-1處的寬吸收峰是O—H鍵的伸縮振動,2 916,2 851和1 384 cm-1處為甲基的C—H伸縮振動特征峰,經NaNH2活化后的樣品HCNS-x-400的C—H特征峰明顯減弱;1 621 cm-1處是苯環(huán)的振動特征峰;1 203 cm-1和1 169 cm-1處的吸收峰歸于C—H的面內變形振動。沒有發(fā)現(xiàn)800 cm-1左右的Si—O—Si鍵的吸收峰,表明SiO2已被完全除去,可知不同HCNS樣品為典型的碳材料。
圖4 不同樣品的FT-IR圖譜Fig.4 FT-IR spectra of different samples
HCNSs樣品的靜態(tài)吸附結果見表2。由表2可知,隨著HCNS-x-400樣品中NaNH2與HCNS質量比(x)的增加,樣品對3種吸附質的靜態(tài)吸附容量均先增加后減小,HCNS-3-400的靜態(tài)吸附容量最大。當NaNH2與HCNS質量比為3:1,不同溫度活化后的樣品(HCNS-3-y)以及商業(yè)化樣品(SG,AC)的靜態(tài)吸附容量也列于表2??梢钥闯觯S著活化溫度的升高,HCNS-3-y樣品對3種吸附質的吸附容量也是先增加后減少,HCNS-3-500有最大VOCs吸附容量;而所制備的所有HCNSs樣品的VOCs吸附容量均大于商業(yè)吸附劑SG和AC的吸附容量。
表2 不同樣品靜態(tài)VOCs平均吸附容量Table 2 Static VOCs average adsorption capacities of different samples
所有樣品的VOCs 5次平均解吸效率見表3??梢园l(fā)現(xiàn),幾乎所有樣品吸附的正己烷、甲苯和汽油幾乎都被解吸出來了,解吸率高于99.0%。而AC在第1次解吸過程中的解吸效率較低(正己烷、甲苯和汽油分別為72.6%,72.6%和69.4%,在隨后的解吸過程中解吸效率可以達到近100%)??梢钥闯?,HCNS-3-500樣品具有VOCs靜態(tài)吸附性能和穩(wěn)定性。
表3 吸附劑樣品對吸附質的靜態(tài)平均解吸效率Table 3 Static average desorption efficiencies of adsorbent samples to adsorbates
結合表3和表1可知,較大的SBET和Vt會直接導致HCNSs的VOCs吸附容量增加。因此SBET和Vt是影響吸附劑吸附性能的主要因素。
HCNS-3-500有最高的靜態(tài)VOCs以及良好的穩(wěn)定性,研究了HCNS-3-500的動態(tài)吸附性能[24-25]并與商業(yè)化吸附劑AC和SG進行比較,其吸附穿透曲線如圖5(a)和圖5(b)所示,其動態(tài)吸附參數(shù)見表4。通常,穿透時間(tb)越長,動態(tài)吸附平衡時間(te)越長,獲得的動態(tài)吸附能力就越高。圖5所示:與SG和AC相比,HCNS-3-500第1次動態(tài)正己烷吸附過程中的tb最長(58 min);3種樣品的第1次te大小為HCNS-3-500(106min)>SG(72 min)>AC(50 min)。由表4可知,HCNS-3-500的第1次正己烷動態(tài)吸附容量為2.61 g/g,是SG(0.361 g/g)和AC(0.574 g/g)的7.23倍和4.55倍,表明HCNS-3-500樣品表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能,其動態(tài)平衡吸附容量比AC和SG都高。為了測試吸附劑在動態(tài)平衡吸附過程中的可重復使用性,樣品通過在100 ℃的真空中熱處理75 min至樣品質量沒有變化進行再生,結果見圖5(c)和表4。經過5次吸附-解吸循環(huán)實驗表明,HCNS-3-500具有穩(wěn)定的穿透時間和動態(tài)平衡吸附能力。經過穿透時間、平衡吸附容量和穩(wěn)定性能的綜合考察可知,與SG和AC相比,HCNS-3-500表現(xiàn)出最佳的動態(tài)吸附性能。
圖5 樣品VOCs穿透曲線Fig.5 Breakthrough curves of VOCs on samples
表4 不同樣品吸附正己烷的5次動態(tài)吸附參數(shù)比較Table 4 Comparison of single component n-hexane dynamic adsorption parameters on different samples
HCNS-3-500對甲苯的吸附穿透曲線如圖5(d)所示,相應的穿透時間、平衡時間和吸附能力列于表5。結果顯示,HCNS-3-500在第1次動態(tài)吸附過程穿透時間最長(52 min)。第1次動態(tài)平衡吸附時間為92 min??梢钥闯觯琀CNS-3-500甲苯動態(tài)吸附的穿透時間和吸附平衡時間均比其對正己烷的短,第1次動態(tài)平衡吸附容量為1.85 g/g,也比正己烷的平衡吸附容量小。HCNS-3-500的高性能吸附能力可歸因于其具有較大的SBET和Vt。
表5 HCNS-3-500的甲苯動態(tài)吸附參數(shù)Table 5 Single component toluene dynamic adsorption parameters on HCNS-3-500
為進一步研究VOCs分子與吸附劑表面烴基之間的親和力,研究了HCNS-3-500對正己烷和甲苯的競爭吸附。HCNS-3-500樣品對正己烷和甲苯的競爭動態(tài)吸附的穿透曲線見圖6,相應的動態(tài)吸附參數(shù)見表6。結果所示,與相同條件下單組分VOCs的相應結果相比,正己烷的tb和te(分別為38 min和70 min)及甲苯的tb和te(分別為28 min和54 min)均變短,相應的雙組分q(分別為1.52 g/g和1.07 g/g)變小。由圖7可見,正己烷樣品的tb明顯長于甲苯,但兩者的q之和與單組份動態(tài)正己烷的q接近相等,說明在此吸附過程中,吸附位點被正己烷和甲苯分子完全占據(jù)。相應地,正己烷的q也大于甲苯。這些觀察結果可以用分子尺寸和組成不同來解釋。正己烷的組成和有機硅源的—CH2—CH2—接近,且分子尺寸較小,與較小尺寸的分子相比較大尺寸的分子傾向于更小的深度擴散,從而導致更短的tb和更大的q。
圖6 樣品雙組分VOCs競爭吸附穿透曲線Fig.6 Two component competitive adsorption breakthrough curves of VOCs on samples
表6 HCNS-3-500樣品正己烷-甲苯雙組分5次動態(tài)競爭吸附參數(shù)Table 6 The dynamic n-hexane and toluene competitive adsorption parameters of HCNS-3-500
用NaNH2對HCNS進行活化處理后增加了樣品HCNS-x-y的比表面積和微孔量。當NaNH2和HCNS的質量比為3,活化溫度為500 ℃得到的樣品HCNS-3-500的性能較優(yōu)。樣品HCNS-3-500的比表面積和孔容最大,分別為1 589 m2/g和1.96 cm3/g;對正己烷、甲苯和92#汽油的靜態(tài)吸附容量分別為2.70,1.93和1.36 g/g,單組份正己烷和甲苯的動態(tài)吸附容量分別為2.61 g/g和1.85 g/g。HCNSs的性能均遠高于商業(yè)化吸附劑AC和SG。HCNS-3-500表現(xiàn)出優(yōu)異的動態(tài)平衡吸附容量和動態(tài)吸附穩(wěn)定性,其在VOCs氣體吸附領域具有應用潛力。