稻殼粉吸附有機(jī)化合物能力研究

鄧 云 陳建國徐衛(wèi)東

（1寧波出入境檢驗檢疫局浙江寧波3150122浙江余姚東海橡膠廠浙江余姚315400）

稻殼粉吸附有機(jī)化合物能力研究

鄧 云1陳建國1徐衛(wèi)東2

（1寧波出入境檢驗檢疫局浙江寧波3150122浙江余姚東海橡膠廠浙江余姚315400）

為研究稻殼粉的對有機(jī)化合物吸附能力，以蒽和雙酚A為代表，從時間、溫度、溶劑三個方面研究了稻殼粉吸附率的變化.通過紅外光譜分析吸附前后稻殼粉表面分子基團(tuán)的變化.研究表明,稻殼粉對蒽、雙酚A具有快速穩(wěn)定的吸附能力,用于木塑復(fù)合材料時能夠提高其環(huán)保性能。

稻殼粉；雙酚；A蒽；吸附

我國是水稻生產(chǎn)大國，年總產(chǎn)量約2×108t，每年產(chǎn)生的稻殼粉將近4000×104t。摻雜稻殼粉的復(fù)合材料不僅有高分子材料原有的加工和機(jī)械物理性能，而且具有天然木質(zhì)感和類似于木材的加工性能。大量的報道都是集中在稻殼粉復(fù)合材料的加工制備及性能表征上。稻殼粉具有一定韌性、多孔，自身屬纖維性材料，外表面覆蓋有長鏈羥基羧酸聚合物和二氧化硅膜，具有非極性的表層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的吸附性。而高分子聚合物在生產(chǎn)加工中的單體殘留和助劑引入，相當(dāng)一部分屬于對環(huán)境和人體有害的有毒有害物質(zhì)。目前，世界各國普遍強(qiáng)調(diào)健康、環(huán)保、衛(wèi)生，開展稻殼粉吸附研究對于科學(xué)開發(fā)評估稻殼粉復(fù)合材料，提升其使用價值和市場認(rèn)可度，十分必要。

本研究以蒽和雙酚A（2,2-雙(4-羥基苯基)丙烷）為研究對象，前者是一種比較常見的多環(huán)芳香烴，廣泛存在于油脂、橡膠和塑料的加工生產(chǎn)中；后者作為合成單體，大量殘留于聚碳酸酯和環(huán)氧樹脂中。向溶液中加入處理過的稻殼粉，通過測得加入前后兩種物質(zhì)的濃度變化，研究不同條件下稻殼粉對這兩種代表性物質(zhì)的吸附能力。

1 材料和儀器

1.1 材料

1.1.1 稻殼粉原料為當(dāng)年生產(chǎn)。實驗用稻殼粉經(jīng)過風(fēng)揚，去除剩余碎米粒后，通過三次水洗沉降分離，烘干。經(jīng)過離心研磨，制得粒徑小于1mm的樣品，放入密封袋備用。

1.1.2 蒽標(biāo)準(zhǔn)品（CasNo：120-12-7,純度99%）；雙酚A標(biāo)準(zhǔn)品（CasNo：80-05-7，純度98%）；實驗用溶劑乙酸乙酯、甲苯均為色譜純。

1.2 儀器

氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（安捷倫5975A）；傅立葉紅外光譜儀(尼高力is5k)；塞多利斯24S分析天平。

2 方法

2.1 吸附試驗

取3g稻殼粉于50mL錐形瓶中，加入濃度為7mg/L的蒽和雙酚A的混合吸附液10mL，分別置于不同的溫度下密閉靜置。隨時間變化分別取上層清液（取0.2mL定容到1.5mL）上機(jī)測試。通過濃度計算吸附率，吸附率R按以下公式：

式中：C0為吸附液起始濃度；Ca為吸附后濃度

2.2 吸附條件的選擇

影響稻殼粉吸附能力的三個因素為溫度、時間、溶劑（甲苯、乙酸乙酯）。試驗通過確定兩個提取條件，改變另一個條件的方式，分別考察三者對稻殼粉的吸附性能影響。

3 結(jié)果與影響

3.1 稻殼粉吸附的動力曲線

圖1 稻殼粉吸附動力曲線（甲苯溶液，-18℃）

為降低溶劑揮發(fā)影響，同時減緩吸附過程，試驗選擇在-18℃的溫度下考察稻殼粉對蒽和雙酚A的吸附動力學(xué)。由圖1可知，甲苯溶液中稻殼粉對蒽和雙酚A的吸附速率都很高，在0.5h，蒽吸附率達(dá)到31.18%,雙酚A達(dá)到27.90%。隨著吸附時間增加，稻殼粉對蒽吸附在9h左右，吸附率達(dá)到45.50%，此后增速趨緩，在24h達(dá)到45.5%。稻殼粉對雙酚A的吸附率與吸附時間成正相關(guān)，在24h達(dá)到37.0%。由此可見，稻殼粉對兩種有機(jī)化合物具有快速的吸附能力，吸附時間越長，稻殼粉的吸附效果越好。稻殼粉表層為長鏈羥基羧酸聚合物和二氧化硅膜，在空氣常溫環(huán)境下穩(wěn)定存在。

3.2 溫度對稻殼粉吸附率的影響

圖2 稻殼粉吸附隨溫度變化曲線（甲苯溶液，2h）

溫度的本質(zhì)是分子無規(guī)則運動劇烈程度，隨著溫度升高，分子之間的吸附與解吸附頻率都會增加，決定吸附與溫度的相關(guān)性。因此，溫度影響是說明吸附劑對某種物質(zhì)吸附能力的重要方面，也是研究吸附劑用途時必須考慮的方面。由圖2可知，甲苯溶液中吸附時間2h，-18℃～50℃溫度范圍內(nèi)稻殼粉對兩種物質(zhì)的吸附率位于28%～35%區(qū)間范圍內(nèi)，總體變化不大。隨著溫度升高，稻殼粉對雙酚A的吸附率逐漸變大，但增長速率逐步變緩，在30℃后幾無變化。相比而言，稻殼粉對蒽的吸附率則隨著溫度升高逐漸變小。低溫時，蒽因為其熔點高，更容易在稻殼粉表面形成吸附。隨著溫度升高，蒽的溶解性明顯增大，從稻殼粉表面解析進(jìn)入甲苯中，導(dǎo)致吸附率隨溫度升高呈負(fù)相關(guān)性。故溫度升高，雙酚A接觸稻殼粉頻率增加，因而，吸附作用也就更明顯。

3.3 溶劑對稻殼粉吸附率的影響

圖3 兩種溶劑中稻殼粉吸附蒽曲線（40℃）

稻殼粉應(yīng)用于木塑復(fù)合材料時，將面臨不同的聚合物基體。每種基體極性不同，影響稻殼粉加入后，有機(jī)小分子在兩者之間的吸附。由圖3可以看出，在40℃溫度下，稻殼粉對蒽的吸附率在甲苯溶液中明顯比在乙酸乙酯中高。物質(zhì)之間的吸附能力與分子之間的鍵合能力有關(guān)。稻殼粉表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分子中既含有極性的羥基、硅氧鍵，也含有非極性的碳-氫、碳-碳鍵，對極性和非極性化合物分子都有較好的吸附性能。蒽是結(jié)構(gòu)對稱的三環(huán)縮合芳烴，分子中富含給電子π鍵，屬非極性化合物。它與稻殼粉、溶劑分子間的吸附屬于分子間范德華力作用，甲苯溶液中，蒽分子溶解性好，分子之間距離遠(yuǎn)，因而蒽分子內(nèi)部相互作用幾率減少，分子集聚效應(yīng)減弱。與稻殼粉表面分子的吸附幾率增加。由此可見，木塑符合材料中稻殼粉對目標(biāo)化合物的吸附效果差異直接受影響于聚合物基材的極性。骨鏈中含有硅氧、碳氧鍵的聚合物極性一般高于單純的碳碳鍵。

3.4 吸附前后稻殼粉表面狀態(tài)變化

稻殼粉表面吸附發(fā)生后，分子結(jié)構(gòu)必然發(fā)生變化。在官能團(tuán)區(qū)，波數(shù)不同，醇酚結(jié)構(gòu)中O-H鍵的伸縮振動特征峰；飽和烷基中C-H鍵的伸縮振動所致;酮羰基(C=O)鍵伸縮振動所致。在溶液中吸附蒽和雙酚A后，強(qiáng)度明顯減弱，說明稻殼粉表面的C-H鍵與C=O鍵在吸附中發(fā)揮了作用。前者可能與雙酚A中的活性羥基形成C-H-O結(jié)構(gòu)有關(guān)，后者可能是C=O鍵與富電子結(jié)構(gòu)的蒽形成C-O-H結(jié)構(gòu)有關(guān)。相比與范德華力，這兩種鍵的結(jié)合力更強(qiáng)，可以說明稻殼粉的吸附能力牢固穩(wěn)定。

4 結(jié)語

稻殼粉對蒽和雙酚A的吸附隨時間增長逐步增大至穩(wěn)定，-18℃下前0.5h之內(nèi)平均吸附速率分別為1.04%/min（蒽）、0.93% /min（雙酚A），24h時吸附率可分別達(dá)到45.5%和37.0%。恒溫吸附時間越長，稻殼粉的吸附效果越好。-18℃～50℃溫度范圍內(nèi)稻殼粉對兩種物質(zhì)的吸附率位于28%～35%區(qū)間范圍內(nèi)，吸附穩(wěn)定。稻殼粉的吸附受目標(biāo)物在溶劑中的溶解性影響,溶解性越好，吸附效果越好。紅外光譜分析表明吸附過程發(fā)現(xiàn)稻殼粉表面的C-H鍵與C=O鍵在吸附中發(fā)揮了作用。說明稻殼粉的吸附能力是牢固穩(wěn)定的。該結(jié)論對于稻殼粉用于木塑復(fù)合材料具有重要的參考意義。

[1]歐陽東.稻殼更有價值的出路一制備混凝土頂級摻合料.糧食與飼料工業(yè),2003.(3):43-4 5.