劉真真 郭延柱 王興
摘要:將富含纖維素的舊報紙先進(jìn)行潤脹、打漿,然后冷凍干燥,得到舊報紙氣凝膠(WNA),利用高溫?zé)岱纸獾姆绞教幚鞼NA制得舊報紙?zhí)蓟鶜饽z(CA)。采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)對CA的性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明,CA的密度(00348 g/cm3)較低,動態(tài)接觸角為1298°,表明CA的疏水性能優(yōu)異。FTIR結(jié)果表明,與WNA相比,CA中羥基、烷基及糖苷鍵等官能團(tuán)含量減少。SEM分析表明,CA的纖維寬度在8~10 μm范圍內(nèi),其具有連續(xù)納米多孔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。XRD分析表明,纖維素的結(jié)晶區(qū)受到破壞,導(dǎo)致無定形碳的形成。CA能高效、快速地吸附有機(jī)溶劑和石油化工產(chǎn)品,吸附量可達(dá)自身質(zhì)量的21~37倍。利用燃燒的方法可將吸附的物質(zhì)從CA中分離出來并對CA進(jìn)行回收。經(jīng)過6個吸附/燃燒循環(huán)過程,CA對甲醇和硅油的吸附能力分別是原吸附能力的839%和864%,表明CA可實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)利用。
關(guān)鍵詞:碳基氣凝膠;舊報紙;吸附能力;疏水性
中圖分類號:TS724
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
DOI:1011981/jissn1000684220180223
碳基氣凝膠是一類具有獨(dú)特三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、低密度、較大比表面積、疏水性和優(yōu)異吸附性能的超輕多孔材料,在能源利用和清理有機(jī)溶劑及石油污染等領(lǐng)域受到研究者廣泛關(guān)注[12]。常見的碳基氣凝膠,如碳纖維氣凝膠[3]、碳納米管氣凝膠[4]、石墨烯氣凝膠[5],因制備工藝復(fù)雜且周期長、設(shè)備昂貴且耗能大、成本高,規(guī)模化生產(chǎn)及推廣應(yīng)用較困難[6]。因此,選擇低成本原料,如生物質(zhì)材料,研究新型碳基氣凝膠材料的制備方法,構(gòu)建高效的吸附體系,實(shí)現(xiàn)碳基氣凝膠的高層次利用,具有極其重要的實(shí)際應(yīng)用價值。
近年來,學(xué)者們著手利用廢棄生物質(zhì)材料生產(chǎn)碳基氣凝膠的研究[79]。廢紙是一種富含纖維素的典型廢棄生物質(zhì)和低成本材料,除被回收作為造紙?jiān)线M(jìn)行循環(huán)使用之外,其經(jīng)處理后還可用于廢水處理[1013]、燃料[14]、超級電容[15]等領(lǐng)域。金春德等[16]利用離子液體體系溶解舊報紙,通過透析干燥的方式制備出舊報紙基纖維素氣凝膠,但此過程周期較長且氣凝膠表面容易滋生細(xì)菌,從而影響氣凝膠本身的性能,限制了其應(yīng)用。因此,需根據(jù)舊報紙?zhí)匦?,尋找?jīng)濟(jì)方便的舊報紙基氣凝膠的制備方法[1718]。
本實(shí)驗(yàn)以舊報紙為原料,經(jīng)潤脹和打漿后,通過冷凍干燥和高溫?zé)岱纸獾姆绞街苽渑f報紙?zhí)蓟鶜饽z(CA)。利用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、接觸角測定儀、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)對CA的結(jié)構(gòu)、接觸角、形貌及性能進(jìn)行表征。探討了CA對有機(jī)溶劑和油類物質(zhì)的吸附性能,分析了燃燒法對CA的回收效果。本研究成果對開發(fā)新型綠色的吸附劑具有指導(dǎo)意義,并為廢紙?jiān)趶U水凈化、農(nóng)業(yè)、氣體過濾材料等領(lǐng)域的綠色利用提供新思路。
1實(shí)驗(yàn)
11原料及試劑
舊報紙:由本地采購而得,機(jī)械碎成小紙片,使用前需在真空干燥箱內(nèi)于45℃下干燥24 h;實(shí)驗(yàn)用的其他試劑如甲醇、苯等均為分析純,無需純化。
12實(shí)驗(yàn)儀器
DGG9123A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;ND系列冷凍干燥機(jī),寧波新芝生物科技股份有限公司;Frontier傅里葉變換紅外光譜儀,美國PerkinElmer公司;YP2壓片機(jī),上海山岳科學(xué)儀器有限公司;GSL1700X管式壁爐,合肥科晶材料技術(shù)有限公司;SBL10DT超聲恒溫清洗機(jī),寧波新芝生物科技股份有限公司;XRD6100 X射線衍射儀,日本島津公司;JEM7800F掃描電子顯微鏡(SEM),日本電子(JEOL)。
13實(shí)驗(yàn)方法
131CA的制備
精確稱量3 g舊報紙碎片并置于100 mL超純水中浸泡4天,進(jìn)行打漿處理以將纖維分散均勻,通過冷凍干燥制得舊報紙氣凝膠(WNA)。在管式爐中對制得的WNA進(jìn)行熱分解,整個分解過程需要氮?dú)獗Wo(hù)。熱解溫度控制如下:以2℃/min的升溫速度將管式爐從50℃升溫至400℃,400℃下保溫1 h;隨后以5℃/min的速度升溫至900℃,900℃下保溫2 h。熱分解結(jié)束后,將管式爐以5℃/min的速度冷卻至400℃,隨后自然冷卻至室溫,制得的固體為CA。
132CA的表征
(1)FTIR表征取2 mg CA樣品與200 mg KBr并充分研磨,在紫外燈下烘烤一定時間以去除水分,對樣品進(jìn)行壓片,在Frontier傅里葉變換紅外光譜儀上進(jìn)行掃描,波數(shù)范圍為400~4000 cm-1,同時對WNA樣品進(jìn)行FTIR光譜掃描以進(jìn)行對比。
(2)XRD表征將CA樣品壓片之后,在XRD6100 X射線衍射儀上進(jìn)行分析。具體測量條件為:使用Cu靶,Kα輻射,加速電壓和電流分別為40 kV和100 mA,掃描速度為5°/min,掃描范圍為2θ=5°~50°,同時對WNA樣品進(jìn)行XRD分析以進(jìn)行對比。
(3)SEM表征將CA樣品表面噴金后,利用JEM7800F掃描電子顯微鏡對其表面形態(tài)進(jìn)行表征,掃描條件:加速電壓為125 V。利用粒徑測量軟件Nano Measurer,輸入SEM圖中的標(biāo)尺長度,在任意選取100根纖維的直徑上劃距離,得出纖維數(shù)量與纖維直徑分布范圍的統(tǒng)計(jì)報告,利用Origin作圖得到纖維直徑范圍分布圖。
133CA對有機(jī)溶劑吸附能力的測定
稱取一定量的CA放至燒杯中,倒入需吸附藥品直至完全浸沒CA。靜置6 h后對吸附后的CA進(jìn)行稱量。CA的吸附能力按照式(1)計(jì)算。
Wt=(m2-m1)/m1(1)
式中,Wt表示CA在一定時間(s)內(nèi)的吸附能力,g/g;m1為CA的初始質(zhì)量,g;m2為吸附后的CA的質(zhì)量,g。
2結(jié)果與討論
21CA的制備
圖1為CA的制備過程圖。對舊報紙碎片進(jìn)行潤脹和打漿處理,得到舊報紙纖維分散液。該分散液經(jīng)冷凍干燥后得到WNA。在通氮?dú)獾臈l件下,采用不同的升溫速率將含羥基的WNA進(jìn)行碳化處理,碳化過程中可除去氫元素和氧元素,主要以水的形式脫除。隨著溫度的升高,熱解反應(yīng)變得劇烈,纖維素分子的運(yùn)動加快,細(xì)小纖維被降解并以揮發(fā)性物質(zhì)的形式釋放出來,C含量增加,WNA密度降低,最后得到黑色、質(zhì)輕的CA。經(jīng)測量可知,WNA經(jīng)高溫碳化后,體積有所減小,直徑由1960 mm(圖1(c))縮減為1466 mm(圖1(d)),密度為00348 g/cm3,有所降低。這是因?yàn)楦邷靥蓟^程中,WNA的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上失去部分官能團(tuán),如羥基、糖苷鍵等,纖維之間結(jié)合更加緊密,導(dǎo)致孔徑變小及三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密,使得CA的骨架結(jié)構(gòu)收縮。然而在高溫碳化后,CA仍保持了氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),孔隙結(jié)構(gòu)無明顯塌陷。
22CA的結(jié)構(gòu)及性能表征
WNA與CA的FTIR譜圖如圖2所示。WNA的FTIR譜圖在3411、2909、1630、1433、1043 cm-1處的吸收峰分別歸屬于—OH伸縮振動峰、亞甲基和次甲基中C—H的伸縮振動峰、吸收水的彎曲振動峰、甲基和亞甲基中C—H的彎曲振動峰、纖維素糖苷鍵C—O—C的伸縮振動峰。由此可知,WNA表面存在著大量的羥基、亞甲基及次甲基等官能團(tuán)。而與WNA的FTIR譜圖相比,CA的FTIR譜圖在3411、2909、1630、1433、1043 cm-1處的吸收峰都顯著減弱,說明經(jīng)碳化后,CA中的羥基、亞甲基、次甲基等官能團(tuán)含量減少。這是因?yàn)楦邷靥蓟茐牧死w維素結(jié)構(gòu),舊報紙纖維中的羥基、烷基以及糖苷鍵均會發(fā)生熱降解。
WNA及CA的XRD譜圖如圖3所示。從圖3可以看出,WNA結(jié)構(gòu)中明顯含有結(jié)晶區(qū),其在2θ=1396°、1632°和2290°處存在3個衍射峰,分別對應(yīng)于纖維素I衍射晶面的(110)、(110)和(020)的結(jié)晶形式。與WNA相比,CA在2θ=1396°、1632°和2290°處的結(jié)晶衍射峰均消失,說明高溫?zé)岱纸膺^程中,CA分子結(jié)構(gòu)中的結(jié)晶區(qū)受到破壞,無定形區(qū)增加,導(dǎo)致無定型碳的形成[17]。
圖4為WNA和CA的SEM圖。由圖4(a)和圖4(d)
圖3WNA與CA的XRD譜圖
可知,WNA和CA均為三維立體連續(xù)納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔材料。由圖4(b)和圖4(e)可知,WNA的纖維形狀呈帶狀且纖維寬度大多在10~15 μm;WNA經(jīng)高溫?zé)岱纸馓蓟?,纖維寬度有所降低,使得到的CA纖維寬度減小為8~10 μm,說明CA內(nèi)的碳化纖維交聯(lián)更加緊密,結(jié)構(gòu)致密。對比圖4(c)和圖4(f)可知,氣凝膠單根纖維表面發(fā)生變化,CA內(nèi)的纖維表面比WNA內(nèi)的纖維粗糙,且孔徑變小。利用粒徑測量軟件Nano Measurer,結(jié)合圖4(b)和圖4(e)得到WNA和CA的纖維直徑分布圖,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,WNA纖維的平均直徑為1553 μm,而CA纖維的平均直徑為1054 μm。這是由于高溫碳化過程中,WNA結(jié)構(gòu)中部分官能團(tuán)降解且網(wǎng)絡(luò)骨架收縮,使得CA內(nèi)的纖維可以很好地交織在一起,因此其結(jié)構(gòu)收縮。
23CA的疏水性
圖6為WNA和CA疏水性能宏觀實(shí)驗(yàn)圖。將水滴滴在WNA表面時,水滴在2~3 s被迅速吸收(見圖6(a)),這是由于WNA含有大量的纖維素,纖維素含有的親水基團(tuán)使其能有效地吸收水分;將水滴滴在CA表面上時,水滴可以很好地負(fù)載在CA的表面且基本呈球狀(見圖6(d))。表明,經(jīng)高溫分解后得到的CA具有良好的疏水性能,是典型的疏水氣凝膠。圖6(b)和圖6(e)是分別將WNA和CA置于水中時的效果圖。WNA由于迅速吸收水分而沉入水底,而CA浮于水面,說明CA不僅疏水而且質(zhì)輕。為進(jìn)一步證明CA的疏水性能,對WNA和CA進(jìn)行接觸角的測定,結(jié)果如圖6(c)和圖6(f)所示,WNA的接觸角約為370°,表現(xiàn)為潤濕;而CA接觸角約為1298°,表現(xiàn)為不潤濕。因此,水滴在超輕的CA表面形成了氣液固復(fù)合物界面,其具有優(yōu)異的疏水性能。
24CA的吸附性能測定
以氯仿(甲基紅染色)為例,對CA的吸附性能進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,當(dāng)CA與氯仿接觸時,其能在數(shù)秒鐘內(nèi)迅速地將氯仿完全吸收,見圖7(b)和圖7(c)。由于CA具有低密度和疏水性等特性,所以吸附完有機(jī)試劑后立刻浮到水面,見圖7(d)。這表明,CA可用于清理漏油和泄露的化學(xué)品,并且具有高度的選擇吸附性,有利于CA的回收利用。
吸附能力隨吸收時間變化的曲線圖。實(shí)驗(yàn)過程中,每間隔05 h測定一次WNA和CA的質(zhì)量,直至WNA和CA的質(zhì)量不再發(fā)生明顯變化。由圖8可知,WNA和CA的吸附能力隨附收時間的變化曲線大致分為2個階段,即吸附05 h內(nèi),WNA和CA對三者的吸附能力隨吸附時間的延長顯著提高,為初始快速吸附階段;05 h后,吸附能力開始趨于平緩。隨著吸附時間繼續(xù)延長至4 h,吸附能力不再增加,說明已經(jīng)接近平衡吸附階段。因此,在隨后吸附實(shí)驗(yàn)中,吸附時間確定為6 h,以保證吸附物的吸附能力達(dá)到吸附極限。WNA對甲醇、機(jī)油和乙酸乙酯的平衡吸附能力分別為17、19、17 g/g,對機(jī)油的吸附量最多,其次是對甲醇,對乙酸乙酯的吸附量最少。CA對甲醇、機(jī)油和乙酸乙酯的平衡吸附能力分別為19、23、12 g/g,對機(jī)油的吸附量最多,其次是對甲醇的吸附量,對乙酸乙酯的吸附量最少。總體而言,經(jīng)高溫碳化后的CA的吸附能力比WNA強(qiáng)。
圖9為CA和WNA對有機(jī)溶劑(苯、甲苯、乙酸乙酯、甲醇、氯仿、丙酮)和硅油、機(jī)油的吸附能力對比圖。由圖9可知,CA對氯仿的吸附效果最好,吸附能力為37 g/g;其次是對硅油,吸附能力為35 g/g;對丙酮的吸附效果最差,吸附能力為21 g/g。而WNA對機(jī)油的吸附量最多,可達(dá)23 g/g;其次是對氯仿,吸附能力為21 g/g;對丙酮的吸附效果最差,吸附能力為13 g/g。由此可知,CA的吸附能力比WNA高,這是由于WNA在高溫碳化過程中細(xì)小纖維被降解,形成了豐富的多孔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),C含量增加,得到的CA能夠?qū)⑹突ぎa(chǎn)品和有機(jī)溶劑存儲在其三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)中,屬于自發(fā)的物理吸附過程;同時經(jīng)高溫碳化后,CA的密度較低且表面的親水性官能團(tuán)大量減少,疏水性能增強(qiáng),減弱了水分子的競爭吸附能力,使CA對石油化工產(chǎn)品和有機(jī)溶劑的吸附能力增強(qiáng)。
25CA的回收
圖10為通過燃燒法回收的CA對甲醇和硅油的吸附能力與回收次數(shù)之間的關(guān)系圖。圖10(a)中,吸附/燃燒循環(huán)1次后,CA對甲醇的吸附能力為24 g/g;吸附/燃燒循環(huán)2次后,其對甲醇的吸附能力有所提高,可達(dá)26 g/g;吸附/燃燒循環(huán)3次后,其對甲醇的吸附能力有所降低。主要是因?yàn)槿紵蟮腃A表面有吸附殘留物的積累,阻礙CA對甲醇的吸附作用。圖10(b)中,吸附/燃燒循環(huán)1次后,CA對硅油的吸附能力高達(dá)38 g/g;吸附/燃燒循環(huán)3次后,CA對硅油的吸附能力達(dá)到最低,僅為25 g/g,但CA在隨后的吸附/燃燒循環(huán)利用中,吸附能力有所提升。經(jīng)過6個吸附/燃燒循環(huán)過程,CA對甲醇和硅油的吸附能力分別是原吸附能力的839%和864%。這表明,通過燃燒法可以有效地回收已吸附甲醇和硅油的CA,回收后的CA仍具有較強(qiáng)的吸附能力。重復(fù)的吸附/燃燒循環(huán)結(jié)果表明,回收后的CA仍可以恢復(fù)初始的形狀和結(jié)構(gòu),其連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)保持不變且回收效率高,為CA的循環(huán)吸附利用提供了條件。
3結(jié)論
31以舊報紙作為原料,通過綠色、簡單的制備方法,獲得具有低密度(00348 g/cm3)、多孔結(jié)構(gòu)、疏水性能(接觸角為1298°)的碳基氣凝膠(CA)。經(jīng)高熱分解碳化后,舊報紙纖維的纖維素結(jié)晶區(qū)受到破壞,CA纖維直徑減小,碳骨架體積收縮,碳化纖維之間結(jié)合更加緊密。
32CA具有較高的多孔結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的疏水能力,對有機(jī)試劑和石油化工產(chǎn)品的吸附能力可達(dá)到自身質(zhì)量的21~37倍。吸附后的CA可利用燃燒的方式回收再利用,經(jīng)過6個吸附/燃燒循環(huán)過程后,回收的CA仍具有較強(qiáng)的吸附能力,對甲醇和硅油的吸附能力分別是原吸附能力的839%和864%。因此,本課題制得的CA可作為一種低成本、高吸附能力的吸附劑,應(yīng)用于廢水凈化等領(lǐng)域。
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