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        殼聚糖改性氮摻雜多孔碳復(fù)合材料的研究

        2022-10-20 06:41:02羅林杰王立海楊麗君
        船電技術(shù) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:殼聚糖改性

        羅林杰,王 微,羅 劍,王立海,楊麗君

        應(yīng)用研究

        殼聚糖改性氮摻雜多孔碳復(fù)合材料的研究

        羅林杰1, 2,王 微1, 2,羅 劍1, 2,王立海1, 2,楊麗君1, 2

        (1. 湖北長海新能源科技有限公司,湖北黃岡 438000;2. 武漢船用電力推進裝置研究所,武漢 430064)

        在本論文中,殼聚糖為氮源,酚醛樹脂前驅(qū)體為碳源,氯化鋅為活化劑,先通過高溫縮聚,后經(jīng)碳化和化學活化制備了殼聚糖改性氮摻雜多孔碳復(fù)合材料 (CS-NPC)。作為對比,制備了純的氮摻雜多孔碳材料 (NPC)。并系統(tǒng)的探究了兩種材料對水體中2,4-二氯苯酚 (2,4-DCP)的吸附性能。采用X射線能譜分析 (XPS)等手段對材料進行表征,表征結(jié)果表明:CS-NPC成功制備,氮含量相比NPC提高了131%。吸附實驗結(jié)果表明,pH值為6時,最有利于對2, 4-DCP的吸附;在298.15 K,CS-NPC的最大吸附量可達757.58 mg/g,比NPC (568.18 mg/g)提升了33.33%。

        殼聚糖 酚醛樹脂 碳復(fù)合材料 吸附 2, 4-二氯苯酚

        0 引言

        近年來,人們利用大量的化學藥劑來促進生產(chǎn),雖然帶來了極大的經(jīng)濟增長,卻對環(huán)境造成了嚴重的破壞,特別是水資源的污染[1, 2]。工業(yè)污水、生活污水和農(nóng)業(yè)廢水[3]的隨意排放,使得水體中各種有害物質(zhì)嚴重超標,直接或間接地危害著人類的健康。

        水體污染的來源主要是人為污染,大致可以分為有機污染、無機污染和同時排放多種污染物的混合污染等[4]。本論文所探討的污染物2, 4-DCP屬于有機污染物中的氯酚類污染物,該類污染物毒性強,易于在人體內(nèi)積累[5],若不及時對其去除,會對人類社會造成嚴重的危害。如何高效快速去除水體中的氯酚污染物,一直是科研工作者所研究的熱點問題。

        1 實驗

        1.1 合成工藝

        1.1.1 殼聚糖摻雜酚醛樹脂前驅(qū)體的制備

        在250 ml燒杯中加入一定量的殼聚糖 (CS)、環(huán)六亞甲基四胺 (HMT)、間苯二酚、P123模板劑、40 mL水和15 mL乙酸 (5%),攪拌30 min,得淡黃色的粘狀物,隨后轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜中,160℃下反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后,得到紅褐色產(chǎn)物。然后將產(chǎn)物水洗至中性,在80℃真空干燥箱中烘干。

        1.1.2殼聚糖改性氮摻雜多孔復(fù)合碳材料(CS- NPC)的制備

        將上述產(chǎn)物在N2氛圍下,360℃的管式爐中煅燒5 h,去除模板劑,得到黑色粉末。隨后將黑色粉末樣品與氯化鋅 (ZnCl2)充分混合 (質(zhì)量比1:2),在N2氛圍下,700℃活化3 h,之后將產(chǎn)物用濃鹽酸和水洗滌多次,直至中性。最后將產(chǎn)物在80℃真空干燥箱烘24 h。

        1.1.3 純氮摻雜多孔碳材料 (NPC)的制備

        在原料中不加殼聚糖,按步驟1.1.1、1.1.2制得。

        1.2 材料表征

        1.2.1 X射線光電子能譜分析(XPS)

        298 K下,采用美國伊達克斯有限公司的multilab 2000型X射線光電子能譜(XPS)儀對樣品進行電子結(jié)構(gòu)以及化學組成的分析,以單色的AlKα為發(fā)射源。

        1.2.2 Zeta電位分析

        Zeta電位分析能反映出水體有機污染物吸附材料在不同pH值得條件下,材料本身的帶電情況,對水體有機污染物吸附的吸附機理研究的、具有極其重要的意義,最后采用美國馬爾文儀器公司Zetasizer nano ZA90型馬爾文粒度分析測試吸附材料的Zeta電位。

        1.3 吸附預(yù)處理及預(yù)實驗

        1.3.1 標準曲線的建立

        污染物2,4-DCP線性回歸方程見表1。

        表1 污染物2,4-DCP線性回歸方程

        1.3.2 預(yù)處理

        實驗前,將制得的NPC和CS-NPC材料置于真空干燥箱中12 h;

        配制50、100、150、200、250、300、350、400 mg/L,2,4-DCP溶液各250 mL。

        1.3.3 預(yù)實驗

        向兩支各盛有40 mL 2,4-DCP溶液(50 mg/L)的安普瓶中,分別加入5 mg的NPC和CS-NPC材料,在298.15 K、180 rpm的震蕩箱中震蕩12 h,結(jié)束后取出,用0.45 um的濾頭過濾,使用分光光度計在波長為284 nm處測得平衡時溶液的吸光度,通過代入標準曲線的方式計算出此時的溶液中2,4-DCP的吸光度,平衡吸附量q下面的公式算得:

        q=(0-e)/(1)

        式(1)中,q為吸附平衡時吸附劑的吸附量,mg/g;C為2,4-DCP的初始濃度,mg/L;C為吸附平衡時2,4-DCP的濃度mg/L;為2,4-DCP的體積,mL;為吸附劑的質(zhì)量,mg。

        在反應(yīng)時間與吸附量之間的關(guān)系的實驗中,需要測定各個時刻吸附劑的吸附量,可用以下公式計算:

        q=(0-t)/(2)

        式(2)中q為min吸附劑的吸附量mg/g;C為min2, 4-DCP的濃度。

        2 結(jié)果及分析

        2.1 材料表征

        2.1.1 X射線光電子能譜分析

        圖1 NPC、CS-NPC的X射線電子能譜分析圖

        表2 NPC、CS-NPC的元素含量圖

        為研究材料表面結(jié)合狀態(tài)及元素組成,對其進行XPS表征。圖1為XPS能譜分析圖,從圖中可以看出材料主要由C、N、O元素組成。兩種材料均在284 eV處出現(xiàn)了C 1s信號峰,在400 eV處出現(xiàn)了N 1s信號峰,在531 eV處出現(xiàn)了O 1s信號峰[6]。從表2中可以看出,殼聚糖改性后,材料中N含量由原來的2.05%提高到現(xiàn)在的4.74%,增加了131%,證明了殼聚糖改性成功。氮元素含量的提高,可以使材料與2, 4-DCP分子間形成更多的氫鍵,使得吸附性能顯著提高。

        2.1.2 Zeta電位

        圖2 NPC、CS-NPC的pH-Zeta電位圖

        從圖2可以看出,NPC和CS-NPC的等電點均在pH為3.3處,當溶液在3.3以下,材料表面電荷為正電荷,在3.3以上時,表面電荷為負電荷;隨pH的增大,Zeta電位絕對值整體呈現(xiàn)增大趨勢,而CS-NPC較NPC顯得更劇烈,說明在CS-NPC材料中分子或分散粒子越小,體系越穩(wěn)定,可以更好的抵抗聚集而溶解或者分散。如此一來在吸附過程中CS-NPC可以更好的抵抗由于聚集帶來的比表面積的減小,以此來表現(xiàn)出更加優(yōu)越的吸附性能。

        2.2 材料對2, 4-DCP吸附性能條件的優(yōu)化

        2.2.1 溶液pH對吸附性能的影響

        圖3 溶液pH對NPC、CS-NPC吸附性能的影響圖

        圖3呈現(xiàn)的是不同pH下NPC和CS-NPC對2,4-DCP吸附量的變化趨勢,隨pH的增大,兩種材料均表現(xiàn)出先增后減的趨勢,并都在pH為6時達到最大的吸附量,分別為342.54 mg/g和367.24 mg/g。這是因為2,4-DCP的pka為7.9,呈現(xiàn)出弱酸性,在酸性條件下主要以分子形式存在,吸附主要是依靠吸附劑中的胺基和2,4-DCP分子中的羥基形成氫鍵作用;而在堿性條件下,2,4-DCP被解離形成氯酚酸鹽陰離子帶負電。由Zeta電位圖可知,吸附劑在堿性條件下也帶負電,兩者產(chǎn)生靜電排斥作用,所以導(dǎo)致吸附量降低。因此,后續(xù)實驗在pH=6下進行。

        2.2.2溫度對吸附性能的影響

        圖4 反應(yīng)溫度對NPC吸附性能的影響圖

        圖5 反應(yīng)溫度對CS-NPC吸附性能的影響圖

        在圖4和圖5中,濃度一定,NPC及CS-NPC對2, 4-DCP的吸附量均隨溫度升高而增大,且溫度一定,濃度增大,材料吸附性能增強。溫度升高,促進分子的運動速率,且還會暴露出更多的活性位點,有利于吸附傳質(zhì),濃度增大,可以為吸附反應(yīng)提供更多的吸附活性位點,促進吸附。

        3 結(jié)論

        本論文以殼聚糖為氮源,環(huán)六亞甲基四胺和間苯二酚為原料,酚醛樹脂前驅(qū)體為碳源,氯化鋅為活化劑,通過高溫縮聚反應(yīng),后經(jīng)碳化和化學活化得到殼聚糖改性氮摻雜多孔碳復(fù)合材料 (CS-NPC)。相比純的氮摻雜多孔碳材料 (NPC),由于氮含量的增加,其對水體中污染物2,4-DCP的吸附能力明顯提高。通過以該材料為吸附劑,系統(tǒng)的探究了溶液pH和溫度對2, 4-DCP吸附性能的影響。具體內(nèi)容如下:

        1)X射線光電子能譜 (XPS)表明殼聚糖改性使氮含量大大提高,比未摻雜時提高了131%;Zeta電位圖表明該材料等電點在pH為3.3處。

        2)吸附實驗表明,CS-NPC對2,4-DCP的吸附在pH為6時有較大的吸附量;在一定范圍內(nèi),溫度升高會促進吸附;298.15 K時,CS-NPC的最大吸附量可達757.58 mg/g,相比NPC (568.18 mg/g)提高了33%。

        [1] 江津清. 中國水資源現(xiàn)狀分析與可持續(xù)發(fā)展對策研究 [J]. 智能城市, 2019, 5(01): 44-45.

        [2] 梁星, 陳英杰. 中國省際水資源利用效率及影響因素分析[J]. 山東工商學院學報, 2019, 33(02): 51-60.

        [3] 邱君. 中國農(nóng)業(yè)污染治理的政策分析[D]. 中國農(nóng)業(yè)科學院, 2007.

        [4] Wu H S. Adaptive robust control schemes of uncertain time-delay systems and its applications to water pollution control systems[P]. Control and Automation (ICCA), 2011 9th IEEE International Conference on, 2011.

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        Study on chitosan modified nitrogen-doped porous carbon composites

        Luo Linjie1, 2, Wang Wei1, 2, Luo Jian1, 2, Wang Lihai1, 2, Lijun Yang1, 2

        (1. HubeiGreatsea New Power Technology Co., Ltd., Hanggang 438000, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

        TM914

        A

        1003-4862(2022)10-0024-04

        2022-07-28

        羅林杰(1997-),男,工程師。主要從事電機電器絕緣結(jié)構(gòu)及絕緣材料研究。E-mail:1469173609@qq.com

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