膨脹石墨對大豆油吸附性能研究

高　微,　張俊才,　趙志鳳

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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膨脹石墨對大豆油吸附性能研究

高微,張俊才,趙志鳳

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為研究膨脹石墨對大豆油的吸附性能,采用化學(xué)氧化法制備膨脹石墨,分析膨脹石墨的微觀結(jié)構(gòu)和形貌。SEM結(jié)果顯示,所制備的膨脹石墨具有蠕蟲狀的結(jié)構(gòu),并且疏松多孔。XRD結(jié)果表明,在2θ為26.3°和54.8°處分別有衍射峰,對應(yīng)碳的(006)和(0012)晶面。以膨脹體積為203 mL/g的膨脹石墨為吸附劑,以大豆油為樣品油,研究膨脹石墨對大豆油的吸附性能。結(jié)果表明:吸附時間,溫度和pH對膨脹石墨的吸附效果影響較大,當(dāng)吸附時間為2 h,溫度為15 ℃,pH為10時,可以得到最佳吸附性能。

膨脹石墨; 大豆油; 吸附性能

0　引　言

近年來,石油泄漏事件頻繁發(fā)生,海洋環(huán)境污染嚴(yán)重。隨著人們對環(huán)境污染的認(rèn)識越來越深入,環(huán)境污染的治理已經(jīng)成為人們研究的熱點(diǎn)。目前,石油污染主要采用化學(xué)法和物理法進(jìn)行綜合治理。但是,化學(xué)法易造成二次污染,環(huán)保的物理吸附法越來越受到人們的青睞。

膨脹石墨作為新型的多孔碳質(zhì)吸附材料,已經(jīng)廣泛用于治理水體中燃料污染、工業(yè)油污染以及重油污染[1-4]。膨脹石墨的表面及內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá),比表面積高達(dá)50～200 m2/g,并且其本身具有疏水親油性,無毒無害,比重小[5]。研究結(jié)果顯示,通過簡單的真空抽濾,膨脹石墨中吸附的重油還可以被回收,回收率達(dá)到60%～80%[6]。樊平等[7]采用化學(xué)法制備膨脹石墨,研究了膨脹石墨對水面浮油的吸附過程和最大吸附量問題。李敏杰等[8]研究了膨脹石墨對汽油的吸附性能。他們的研究結(jié)果顯示,膨脹石墨對汽油的吸附量與石墨粒度的大小成正比,并且膨脹石墨對汽油的吸附量大小與辛烷值有關(guān),辛烷值越小,吸油量越大。初茉等[9]以膨脹石墨和活性炭為載體,從熱力學(xué)和表面化學(xué)出發(fā),研究了膨脹石墨對煤焦油類物質(zhì)的吸附性能,研究結(jié)果顯示,膨脹石墨的結(jié)構(gòu)特性和表面特性使其對煤焦油類物質(zhì)的吸附起到促進(jìn)作用,并且較活性炭效果更佳。

筆者采用化學(xué)氧化法制備膨脹石墨,以食用大豆油為樣品油,研究膨脹石墨對大豆油的吸附性能。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)試劑:天然鱗片石墨,天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;無水乙醇(AR),廣東汕頭西隴化工廠;高錳酸鉀(AR),昆山市亞龍貿(mào)易有限公司;硫酸(AR)、雙氧水(AR)和硝酸(AR),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

實(shí)驗(yàn)儀器:恒溫水浴鍋(DK-98-ⅡA)和電熱鼓風(fēng)干燥箱(101-OAB)天津市泰斯特儀器有限公司;馬弗爐(XL-1),鶴壁市儀表廠有限責(zé)任公司;掃描電鏡(FEI XL30 ESEM FEG);X射線衍射儀(SHIMADZU-6000)。

1.2樣品制備

1.2.1膨脹石墨的制備

稱取80 ℃干燥箱干燥24 h的鱗片石墨10 g,在不斷攪拌條件下加入50 mL混酸(硫酸與硝酸比例為4∶1)中,攪拌均勻后加入1 g高錳酸鉀,60 ℃下進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后水洗至pH為6.0～7.0,洗滌液無高錳酸鉀溶液的顏色,然后80 ℃烘箱干燥12 h得可膨脹石墨,900 ℃下高溫膨脹即得到膨脹石墨。圖1給出了膨脹石墨制備的流程。

圖1　膨脹石墨制備流程

Fig. 1Chart of preparation of expanded graphite

1.2.2對大豆油的吸附實(shí)驗(yàn)

采用重量法測量膨脹石墨對大豆油的吸附量。準(zhǔn)確稱取0.5 g膨脹石墨,放置于特制濾網(wǎng)杯中,然后將此濾網(wǎng)杯放入裝有大豆油的容器中,放置一定時間后取出靜置,稱取吸油前后膨脹石墨的質(zhì)量變化,從而計(jì)算膨脹石墨的吸附量:

式中:b——吸油率,g/g;

m0——膨脹石墨質(zhì)量,g;

m1——濾網(wǎng)杯質(zhì)量,g;

m2——吸油后濾網(wǎng)杯的總質(zhì)量,g。

2　結(jié)果與討論

2.1膨脹石墨的XRD分析

為了研究膨脹石墨的物相結(jié)構(gòu),對所制備的膨脹石墨(膨脹體積為203 mL/g)進(jìn)行XRD分析。圖2給出了膨脹石墨的XRD圖譜,在2θ為26.3°和54.8°處分別有衍射峰,對應(yīng)碳的(006)和(0012)晶面[10],這說明成功地制備了膨脹石墨。此外,膨脹石墨XRD的特征峰較強(qiáng),說明膨脹石墨的結(jié)晶完全,粒徑較大。特征峰峰形也較尖,說明結(jié)晶有序,內(nèi)部排列規(guī)整。

圖2　膨脹石墨的XRD圖譜Fig. 2　XRD pattern of exfoliated graphite

2.2膨脹石墨的SEM分析

為了觀察膨脹石墨的微觀結(jié)構(gòu),對所制備的膨脹石墨實(shí)行掃描電鏡分析。圖3是膨脹石墨的掃描電鏡照片。從圖3a中可以看出,所制備的膨脹石墨具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)。膨脹石墨顆粒是由不規(guī)則橢球形的微晶包構(gòu)成,微胞間的表面以V形裂開。在膨化過程中,微胞之間會形成大的裂縫,這是由于片層間的連接處容易被氣流脹開[11]。圖3b中,膨脹石墨具有許多微孔,這可能是由于可膨脹石墨在膨脹過程是沿c軸膨脹,形成具有孔狀結(jié)構(gòu)的蠕蟲形膨脹石墨。

圖3　膨脹石墨的SEM

Fig. 3SEM photomicrograph of exfoliated graphite

2.3膨脹石墨對大豆油的吸附性能

不同膨脹體積的膨脹石墨對油的吸附性能影響很大,實(shí)驗(yàn)采用膨脹體積為203 mL/g的膨脹石墨為吸附劑,考察吸附時間、溫度和pH對膨脹石墨吸附量的影響。

2.3.1吸附時間

圖4給出了膨脹石墨吸附量與吸附時間t的關(guān)系曲線。由圖4可見,隨著吸附時間的增加,膨脹石墨對大豆油的吸附量也隨之增加。但是,當(dāng)吸附時間超過2 h后,時間對膨脹石墨的吸附量影響變化不大,這說明當(dāng)吸附時間達(dá)到2 h時,膨脹石墨對大豆油的吸附量幾乎達(dá)到飽和狀態(tài)。

圖4　吸附量與吸附時間的關(guān)系

Fig. 4Sorption capacity of exfoliated graphite for soybean oil as a function of time

2.3.2溫度

圖5給出了膨脹石墨吸附量與溫度td的關(guān)系曲線。在0 ℃到30 ℃的溫度區(qū)間內(nèi),膨脹石墨對大豆油的吸附量大致隨溫度的上升呈增多態(tài)勢;而在15 ℃到30 ℃的溫度區(qū)間內(nèi),膨脹石墨對大豆油的吸附量大致隨溫度的升高而呈減少趨勢。當(dāng)溫度為15 ℃時,膨脹石墨試樣對油的吸附量達(dá)到最大值,為14.67 g。這說明溫度對膨脹石墨的吸附量影響很大,溫度過低不利于膨脹石墨的吸附。但是,隨著溫度的升高,大豆油的黏度也隨之降低,導(dǎo)致膨脹石墨對大豆油吸附性能變差[12]。

圖5　吸附量與溫度的關(guān)系

Fig. 5Sorption capacity of exfoliated graphite for soybean oil as a function of temperature

2.3.3pH值

膨脹石墨吸附與pH的關(guān)系如圖6所示。從圖6中可以看出,pH在3到13范圍內(nèi),膨脹石墨的吸附性能變化非常明顯。pH<7時,pH對膨脹石墨的吸附性能幾乎沒有影響。在堿性條件下,膨脹石墨的吸附性能明顯增加,這可能是由于大豆油與堿發(fā)生了皂化反應(yīng),從而促進(jìn)了膨脹石墨對大豆油的吸附。但是，隨著pH的繼續(xù)增加,皂化反應(yīng)越完全,抑制了膨脹石墨對大豆油的吸附性能。

圖6　膨脹石墨吸附量與pH的關(guān)系曲線

Fig. 6Sorption capacity of exfoliated graphite for soybean oil as a function of PH value

2.3.4吸附機(jī)理

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,蠕蟲狀膨脹石墨對大豆油的吸附性能較佳。筆者主要從表面化學(xué)和熱力學(xué)出發(fā),討論膨脹石墨的吸附機(jī)理。

通過對膨脹石墨表面化學(xué)成分和化學(xué)狀態(tài)的分析發(fā)現(xiàn),膨脹石墨表面的功能基團(tuán)數(shù)量較少,并且主要是亞甲基的非極性脂肪烴基團(tuán),促進(jìn)膨脹石墨對大豆油的吸附性能。另外,在可膨脹石墨的高溫膨脹過程中,夾層化合物迅速分解,氣體壓力促使石墨表面層外邊緣卷曲,更有利于吸附大豆油。并且,這種結(jié)構(gòu)會使膨脹石墨粘連和搭接在一起,又形成很多開放的“貯油空間”。

可膨脹石墨的膨脹是一種無序化增加的過程,即熵增加的過程,使得膨脹石墨處于更穩(wěn)定的狀態(tài)。此外,在石墨的膨脹過程中,會形成大量新的表面,產(chǎn)生新的活性點(diǎn),表面能增加,使得膨脹石墨處于非穩(wěn)定狀態(tài)。吸附大豆油分子既可以增加熵值又可以減小表面能,可以使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加。

3　結(jié)束語

筆者采用化學(xué)氧化法制備膨脹石墨,分析膨脹石墨的微觀結(jié)構(gòu),研究膨脹石墨對大豆油的吸附性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:采用化學(xué)氧化法制備的膨脹石墨具有疏松多孔結(jié)構(gòu),膨脹體積為203 mL/g;吸附時間,溫度和pH對膨脹石墨的吸附效果影響較大,研究數(shù)據(jù)表明,最佳吸附時間為2 h,溫度為15 ℃,pH為10。

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(編輯徐巖)

Adsorption performance of expanded graphite on soybean oil

GAOWei,ZHANGJuncai,ZHAOZhifeng

(School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is aimed specifically at studying the adsorption of exfoliated graphite on soybean oil. The study is done by preparing exfoliated graphite using chemical oxidation method and thereby analyzing morphology and microstructure of expanded graphite by SEM and XRD. SEM results demonstrate that the expanded graphite has worm-like structure and porous morphology. XRD results point to the occurrence of the diffraction peak at 2θ=26.3° and 54.8°, corresponding to the carbon (006) and (0012) crystal plane. The research into the adsorption behavior of expanded graphite on soybean oil using expanded graphite with an expansion volume of 203 mL/g as an adsorbent, and soybean oil as the sample shows that adsorption time, temperature and pH have a greater effect on the adsorption capacity of expanded graphite and the best adsorption performance results from the optimal experimental condition: the adsorption time of 2 h, the temperature of 15 ℃, and pH of 10.

exfoliated graphite; soybean oil; adsorption

2014-11-11

高微(1985-),女,黑龍江省哈爾濱人,講師,博士,研究方向:無機(jī)非金屬,E-mail:g9w9y9s9@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.01.013

TQ050.42

2095-7262(2015)01-0058-04

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