活性炭對離子液體的吸附研究

許耀光，張慧，黃六蓮，曹石林，陳禮輝

(福建農(nóng)林大學材料工程學院, 福州350002)

活性炭對離子液體的吸附研究

許耀光，張慧，黃六蓮*，曹石林，陳禮輝

(福建農(nóng)林大學材料工程學院, 福州350002)

為提高離子液體利用率，降低其對環(huán)境造成的危害，研究了活性炭對離子液體1，3-二烯丙基-2-乙基咪唑醋酸鹽的吸附效果，確定了活性炭用量、離子液體初始濃度、吸附溫度、吸附時間等條件對吸附的影響，分析了無機鹽硫酸鈉的添加對吸附過程的影響，吸附結(jié)束后使用丙酮進行解吸再生。采用UV、FT-IR和1H NMR對吸附前后離子液體進行表征。結(jié)果表明，活性炭質(zhì)量濃度8 g/L，溫度30℃，吸附時間120 min條件下，活性炭對質(zhì)量濃度為80 mg/L的1,3-二烯丙基-2-乙基咪唑醋酸鹽水溶液的吸附效果最佳，無機鹽硫酸鈉的加入有利于活性炭對離子液體的吸附，使用硫酸鈉后，活性炭對離子液體的吸附率可達99%以上，回收率可達93%，且再生后離子液體化學結(jié)構未發(fā)生變化。本研究結(jié)果可為離子液體工業(yè)化及回收利用提供依據(jù)。

活性炭；離子液體；硫酸鈉；吸附；解吸

離子液體具有低蒸氣壓、高溶解能力、高化學穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，被廣泛應用于合成、生物催化[1]、分離[2-3]、電化學[4]、太陽能電池[5]、超級電容器[6]、生物質(zhì)處理[7]、高分子科學[8]等領域。離子液體在諸多領域被認為是“綠色溶劑”，但其本身并非完全無害，其低生物降解性[9]以及在土壤中較強累積[10]所造成的環(huán)境隱患不可忽視。此外，由于離子液體可以部分或完全與水互溶，大量使用可能導致水體污染[11]。Docherty等[12]對常用離子液體的毒性進行了對比，發(fā)現(xiàn)離子液體毒性與烷基鏈長度密切相關，烷基鏈越長其毒性越高。Oliveira等[13]對常用離子液體的生物降解能力和毒性進行了探討，發(fā)現(xiàn)大部分離子液體在自然環(huán)境下較難降解，且對環(huán)境和生物具有中等以上毒性。Liu等[14]發(fā)現(xiàn)離子液體會破壞水體中海藻的生長，使細胞壁從細胞膜上脫落，有大量電子沉降聚集于液泡中。因此，為減少離子液體對環(huán)境的污染，提高離子液體使用率，降低企業(yè)成本，研究廢水中去除離子液體具有重要意義。

目前，廢水中去除離子液體的主要方法有熱降解和化學氧化處理[15-16]，但降解或氧化處理導致離子液體無法被回收，影響經(jīng)濟效益。另一方面，離子液體的回收方法主要有：真空蒸餾、結(jié)晶、液液萃取、納濾等，然而這些方法只適用于處理高濃度離子液體廢水，低濃度離子液體廢水如不經(jīng)處理直接排放，對環(huán)境造成較大危害。因此，研究低濃度離子液體的回收方法成為離子液體回收工藝的關鍵問題[17-18]。

吸附法是一種重要的分離技術，廣泛應用于空氣污染及水污染物處理領域。在眾多吸附材料中活性炭是較為常用的吸附劑[19]，其表面多孔并具有較大的比表面積，且具有吸附能力強、化學穩(wěn)定性好、機械強度高、無污染、原料便宜可再生等諸多優(yōu)點[20]，在空氣凈化及污水處理等方面的需求量呈快速上升趨勢。有關活性炭吸附有機物已有大量研究[21]，但采用活性炭處理回收低濃度離子液體的相關研究鮮有報道。這種方法簡單有效、易操作，但活性炭用量較大，且吸附效果不顯著。鹽析類無機鹽的加入可使疏水性離子液體在水溶液中的溶解性降低，甚至能夠誘導親水性離子液體在水溶液中發(fā)生相分離[22]。在這些無機鹽中硫酸鈉的鹽析誘導效應較為強烈，且該鹽中性無毒、無色、化學穩(wěn)定性高、價格便宜、原料易得、易回收[23]，用于降低離子液體在水中的溶解性可行性較高。筆者在前人工作基礎上，利用活性炭吸附和回收低濃度離子液體，分析各工藝條件(活性炭用量、離子液體初始濃度、吸附溫度、吸附時間)對活性炭吸附過程的影響，并探討了添加無機鹽硫酸鈉對吸附過程的影響。研究結(jié)果對提高離子液體利用率、降低環(huán)境危害、推動離子液體工業(yè)化進程具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

活性炭，上海晶純生化科技股份有限公司；1，3-二烯丙基-2-乙基咪唑醋酸鹽，實驗室自制；硫酸鈉，國藥集團化學試劑有限公司；超純水。

YP3002型電子天平，上海慧泰儀器制造有限公司；3H-2000PS1型比表面積及微孔吸附儀，麥克默瑞提克(上海)儀器有限公司；UV-8000紫外可見光分光光度計，上海精密儀器儀表有限公司；Nicolet型傅里葉紅外光譜儀，北京瑞利分析儀器有限公司；Varian XL-300核磁譜儀，美國Varian公司；HT-211B臥式恒溫搖床，上海赫田科學儀器有限公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠；DZF-6050型真空干燥箱，上?；厶﹥x器制造有限公司；79-2型磁力加熱攪拌器，常州國華儀器廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 離子液體標準溶液配置

將1 g離子液體置于1 L容量瓶中，用超純水定容至刻度線，震蕩搖勻，再吸取10 mL該溶液于100 mL容量瓶中，使用超純水定容至刻度線，即得到100 mg/L的離子液體標準溶液。

1.2.2 離子液體溶液濃度測定

離子液體中的陽離子基團在紫外區(qū)有特征吸收峰，因此可通過紫外分光光度計檢測其特征基團的吸光度，通過離子液體標準溶液曲線計算離子液體溶液濃度，吸光度計算公式如下：

A=εbc

(1)

式中：A為吸光度；ε為摩爾吸光系數(shù)；c為濃度；b為光程。

取適量標準溶液稀釋至合適濃度，使用紫外分光光度計測定溶液的吸光度，以離子液體標準溶液濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標繪制標準曲線。將吸附后溶液過濾并稀釋至合適濃度，使得吸光度(A)在0.2～0.8之間，取適量待測液于1 cm石英比色皿中，掃描范圍200～400 nm，以超純水為參比溶液測定各待測液的吸光度，根據(jù)離子液體標準工作曲線換算吸附后濃度。

1.2.3 離子液體吸附

在100 mL錐形瓶中加入50 mL已知濃度的離子液體水溶液，加入一定量活性炭粉末在恒溫環(huán)境下震蕩吸附3 h，過濾除去活性炭，濾液經(jīng)紫外可見光分光光度計測定吸附后濃度，并計算活性炭對離子液體的吸附率R，公式如下：

(2)

式中：C1為離子液體溶液吸附前的質(zhì)量濃度，mg/L；C2為離子液體溶液吸附后的質(zhì)量濃度，mg/L；V1為離子液體溶液吸附前的體積，L；V2為離子液體溶液吸附后的體積，L。

1.2.4 離子液體解吸

活性炭吸附離子液體后經(jīng)過濾去除濾液，所得活性炭粉末置于100 mL錐形瓶中，加入20 mL丙酮溶液，在40℃條件下磁力攪拌解吸1 h，過濾除去活性炭，濾液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)即得到再生后的離子液體，稱重計算回收率，公式如下：

(3)

式中：R′為回收率；m1為離子液體溶液吸附前的質(zhì)量，g；m2為離子液體再生后的質(zhì)量，g。

1.3 樣品表征

1.3.1 活性炭比表面積(BET)測定

采用容量法以高純氮氣為吸附質(zhì)，在液氮環(huán)境下測定不同壓力下氮氣的吸附體積，樣品測試前經(jīng)200℃充分脫氣處理[24]。

1.3.2 離子液體紅外光譜測定

稱取一定質(zhì)量的KBr于研缽中研磨成粉末狀，取適量KBr粉末倒入模具內(nèi)，滴加一定量離子液體于粉末中，用壓片機壓制成均質(zhì)的薄片，利用FT-IR紅外光譜儀進行分析。

1.3.3 離子液體1H NMR測定

準確稱取一定量離子液體溶于氘水中，保持其濃度為1.0 mol/L，測定溫度為25℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 活性炭BET測試結(jié)果

經(jīng)比表面積及微孔吸附儀測試活性炭比表面積為1 281.01 m2/g，孔徑為3.89 nm，孔體積為1.25 cm3/g。通過高斯(Gaussian)軟件計算可知，1，3-二烯丙基-2-乙基咪唑陽離子的寬度約為0.47 nm，高度約為0.32 nm，活性炭對該尺寸的離子液體可以起到吸附作用[24]。

2.2 紫外最大吸收波長確定

不同離子液體其特征基團在紫外區(qū)的出峰位置不同，為保證測試時儀器對樣品具有較高識別度，需對紫外分光光度計的入射波長進行選擇[25]。在波長200～400 nm范圍內(nèi)掃描離子液體標準溶液所得結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，各離子液體標準溶液在200～400 nm范圍內(nèi)有明顯的吸收峰，最大吸收波長為212 nm，在最大吸收波長附近無其他干擾峰出現(xiàn)，因此在測定時可選擇紫外分光光度計的入射波長為212 nm。這既可保證高的靈敏度，又能保證測定時偏離Lambert-Beer定律的程度大大減少，從而提高測定結(jié)果準確性。

圖1 離子液體標準溶液紫外光譜圖Fig. 1 The UV spectra of ionic liquid standard solution

2.3 離子液體標準工作曲線確定

分別取1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 mL離子液體的標準溶液于100 mL容量瓶中，使用超純水定容到刻度線，震蕩搖勻，在最大吸收波長下測定吸光度，根據(jù)吸光度繪制校準曲線，如圖2所示。從線性回歸方程和相關系數(shù)可以判斷吸光度值與離子液體濃度兩變量之間相關程度較高，可通過吸光度值推算離子液體濃度。

圖2 離子液體標準工作曲線Fig. 2 Standard working curve of ionic liquid

2.4 活性炭質(zhì)量濃度對離子液體吸附效果的影響

圖3 活性炭質(zhì)量濃度對離子液體吸附效果的影響Fig. 3 Effect of activated carbon mass concentrationon ionic liquid adsorption

通過向相同濃度的離子液體水溶液中添加不同量活性炭，在同一溫度及振蕩速率下吸附3 h，經(jīng)紫外分光光度計測定濃度，得到活性炭用量對離子液體吸附效果的影響曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，吸附時活性炭用量越多，其對離子液體的去除效果越好，活性炭質(zhì)量濃度超過8 g/L后對離子液體的吸附率逐漸變緩，這是因為離子液體被活性炭吸附到一定濃度后，溶液中離子液體含量過低，吸附的推動力減小，吸附速率變慢，因此即使增加活性炭的質(zhì)量濃度也無法將離子液體完全吸附，綜合經(jīng)濟因素及吸附動力學考慮，較合適的活性炭質(zhì)量濃度為8 g/L。

2.5 離子液體初始濃度對離子液體吸附效果的影響

在100 mL錐形瓶中分別加入50 mL的10，20，40，60，80，100，120，140，160，180和200 mg/L離子液體水溶液，隨后加入0.4 g的活性炭粉末，在同一溫度及振蕩速率下吸附3 h，分析離子液體初始濃度對吸附效果的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在離子液體濃度較低時，活性炭對離子液體的吸附量隨離子液體濃度的增加而升高。當離子液體質(zhì)量濃度高于80 mg/L時，隨離子液體質(zhì)量濃度增加，活性炭對離子液體的吸附率緩慢降低，這是由于離子液體質(zhì)量濃度高于80 mg/L后，活性炭吸附達到飽和，無法繼續(xù)吸附多余離子液體，從而導致吸附率下降。為提高活性炭的吸附效果，較適宜的初始吸附濃度為80 mg/L。

圖4 離子液體初始質(zhì)量濃度對離子液體吸附效果的影響Fig. 4 Effect of initial ionic liquid concentration onionic liquid adsorption

2.6 吸附溫度對離子液體吸附效果的影響

在6個100 mL錐形瓶中分別加入50 mL的離子液體水溶液(80 mg/L)，加入0.4 g的活性炭粉末，分別在不同溫度、相同振蕩速率條件下吸附3 h，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，吸附溫度為30℃時吸附效果最佳。當溫度高于30℃時，活性炭對離子液體的吸附率隨溫度升高而降低，且溫度越高，降低趨勢越明顯。這說明溫度升高不利于活性炭吸附，吸附在活性炭上的離子液體會發(fā)生解吸現(xiàn)象，從而導致吸附率下降。

圖5 吸附溫度對離子液體吸附效果的影響Fig. 5 Effect of adsorption temperature on ionicliquid adsorption

2.7 吸附時間對離子液體吸附效果的影響

在11個100 mL錐形瓶中分別加入50 mL的離子液體水溶液(80 mg/L)，加入0.4 g的活性炭粉末，溫度30℃條件下控制振蕩速率相同，每隔20 min取樣檢測濃度，計算吸附率，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，在吸附時間120 min內(nèi)，活性炭對離子液體的吸附率隨振蕩時間增加而升高，120 min后吸附量基本不變，這說明此時活性炭已吸附飽和，再延長吸附時間，吸附量也不會有所增加?？紤]到延長吸附時間會增加動力消耗，故較適宜的吸附時間為120 min。

圖6 吸附時間對離子液體吸附效果的影響Fig. 6 Effect of adsorption time on ionicliquid adsorption

2.8 硫酸鈉質(zhì)量濃度對離子液體吸附效果的影響

離子液體成本較高且對環(huán)境具有潛在威脅，因此需對離子液體溶液盡可能完全回收。研究結(jié)果表明活性炭對低濃度離子液體具有較好吸附效果，但仍具有一定提升空間[23]。本研究將無機鹽硫酸鈉加入離子液體水溶液中，擬通過無機鹽的鹽析作用提高活性炭對離子液體的吸附能力。離子液體水溶液加入不同質(zhì)量濃度硫酸鈉后，活性炭在較佳吸附條件下的吸附結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，在未添加硫酸鈉時，活性炭在較佳吸附條件下對離子液體的吸附率接近97.5%，硫酸鈉加入溶液體系后，活性炭對離子液體的吸附率隨硫酸鈉加入量的增加而升高，最高可達99%以上，經(jīng)丙酮解吸后，采用公式(3)計算的離子液體的最終回收率達93%。親水性離子液體與水難分離是因為離子液體會與水形成牢固的氫鍵網(wǎng)絡，該氫鍵網(wǎng)絡很難通過其他溶劑或高溫蒸餾破壞。硫酸鈉加入離子液體水溶液后，由于鹽析誘導作用會減弱離子液體與水之間的氫鍵作用力，促進離子液體與水相的分離，此時活性炭對離子液體分子的吸附力強于該氫鍵作用力，從而使得離子液體分子更容易吸附于活性炭表面，吸附過程如圖8所示。此外，硫酸鈉中性無毒、無色、化學穩(wěn)定性高、價格便宜、原料易得，吸附結(jié)束后經(jīng)簡單回收操作可繼續(xù)重復使用，在工業(yè)化生產(chǎn)中用來提高活性炭吸附效果可行性較高。從圖7還可發(fā)現(xiàn)，當硫酸鈉質(zhì)量濃度高于240 g/L時，吸附率已基本平穩(wěn)。當硫酸鈉質(zhì)量濃度達到400 g/L時，離子液體水溶液中出現(xiàn)無法溶解的白色粉末，此時硫酸鈉在離子液體水溶液中的溶解達到飽和。考慮到硫酸鈉質(zhì)量濃度在達到240 g/L時對吸附率提升不明顯，綜合經(jīng)濟效益，較適宜的硫酸鈉質(zhì)量濃度為240 g/L。

圖7 硫酸鈉質(zhì)量濃度對離子液體吸附效果的影響Fig. 7 Effect of sodium sulfate dosage on ionicliquid adsorption

圖8 硫酸鈉促進活性炭吸附離子液體原理圖Fig. 8 Principle of enhancing adsorption of ionic liquidsonto activated carbon by addition of sodium sulfate

2.9 離子液體再生前后紅外光譜分析

圖9 離子液體再生前后紅外譜圖Fig. 9 Infrared spectra of ionic liquids before andafter regeneration

2.10 離子液體再生前后1H NMR譜圖分析

離子液體結(jié)構式以及離子液體的1H NMR譜圖見圖10,11和12。由圖可見，在δ=7.2處積分面積約為2的峰，表明為2個氫出峰，正是離子液體結(jié)構式中的D、E兩處的氫。同理可推測，B、G處的2個氫在δ=5.8處出峰；A、H處的4個氫在δ=5.0～5.2間出峰；C、F兩處的氫在δ=4.6處出峰。需要注意的是，由于再生后離子液體中殘留微量有機溶劑，導致在該處的峰型發(fā)生變化，但并不會影響積分面積；J處的亞甲基氫在δ=2.8處出峰；I處醋酸的甲基氫在δ=1.8處出峰；K處的甲基氫在δ=1.0處出峰[27]。由1H NMR譜圖可證明該離子液體為1，3-二烯丙基-2-乙基咪唑醋酸鹽，且 再生前后離子液體的1H NMR譜圖未發(fā)生峰的產(chǎn)生與消失，說明離子液體經(jīng)活性炭吸附解吸再生后結(jié)構未發(fā)生改變。

圖10 1，3-二烯丙基-2-乙基咪唑醋酸鹽結(jié)構式Fig. 10 Structure type of 1,3-diisopropenyl-2-ethyl imidazol acetate

圖11 1，3-二烯丙基-2-乙基咪唑醋酸鹽1H NMR譜圖Fig. 11 The1H NMR spectra of 1,3-diisopropenyl-2-ethyl imidazol acetate

圖12 再生1，3-二烯丙基-2-乙基咪唑醋酸鹽1H NMR譜圖Fig. 12 The1H NMR spectra of regenerative 1,3-diisopropenyl-2-ethyl imidazol acetate

3 結(jié) 論

本研究使用活性炭吸附和回收低濃度離子液體，分析各條件對活性炭吸附過程的影響，并研究了無機鹽硫酸鈉的作用機理。結(jié)果表明，在活性炭質(zhì)量濃度為8 g/L，硫酸鈉質(zhì)量濃度為240 g/L，溫度為30℃，吸附時間為120 min的條件下，活性炭對質(zhì)量濃度為80 mg/L的1,3-二烯丙基-2-乙基咪唑醋酸鹽水溶液的吸附率可達到99%以上，再生回收率可達93%。硫酸鈉加入離子液體水溶液后，由于鹽析誘導作用會減弱離子液體與水之間的氫鍵作用力，促進離子液體與水相分離，提高活性炭對離子液體的吸附效果。離子液體1，3-二烯丙基-2-乙基咪唑醋酸鹽經(jīng)活性炭吸附、解吸、再生后化學結(jié)構未發(fā)生改變。本研究方法適合低濃度離子液體的回收，中、高濃度的離子液體由于其較高的黏度會阻塞活性炭的孔洞，影響使用性能。在今后工作中還需繼續(xù)研究尋找更高效便捷，且同時適用于高、低濃度的離子液體回收方法，完善離子液體的回收工藝，推動離子液體的工業(yè)化生產(chǎn)。

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Adsorption ability of activated carbon to ionic liquids

XU Yaoguang, ZHANG Hui, HUANG Liulian*, CAO Shilin, CHEN Lihui

(CollegeofMaterialsEngineering,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China)

In order to improve the utilization ratio of ionic liquid and reduce the harmful effects on the environment，the absorbing effect of ionic liquid 1,3-diisopropenyl-2-ethylimidazol acetate onto activated carbon was investigated in this paper under the batch absorption with an aim to reveal the influence of the technological conditions in aspects of the dosage of activated carbon, the initial concentration of ionic liquid, the temperature, and the time on the absorption. Based upon these conditions, the influence of the addition of sodium sulfate on the adsorption process was studied, and the desorption and regeneration was conducted by acetone. The ionic liquid was represented via UV, FT-IR, and1H NMR before and after absorption. The results show that when the concentration of activated carbon is 8 g/L, with the temperature of 30℃, and the absorbent time of 2 h, the activated carbon has the optimal absorbing effect on the 1,3-diisopropenyl-2-ethylimidazol acetate liquid. The mass concentration of the liquid is of 80 mg/L. In addition, the adoption of the inorganic salt sodium sulfate is conductive to activated carbon’s absorption of ionic liquid. Specifically, after the addition of sodium sulfate, the activated carbon makes it possible that the absorption efficiency could be improved up to above 99%, and the recovery rate accordingly reaches 93%. The mechanical structure of ionic liquid remains unchanged after regeneration. The results of this study can provide the basis for the industrialization and recovery of ionic liquids.

activated carbon; ionic liquid; sodium sulfate; adsorption; desorption

2016-12-27

2017-02-21

福建省發(fā)改委科技重大專項 (閩發(fā)改高技[2014]514號)；國家自然科學青年基金(21506031)；福建省科技廳高校產(chǎn)學合作項目(2016H6004)。

許耀光，男，研究方向為植物資源化學與材料。通信作者：黃六蓮，女，教授。E-mail:hll65212@163.com

TS201. 6, X703

A

2096-1359(2017)04-0070-07