宋艷暉,董玲玉,張托弟,郭鵬然,張 婷,王 毅
(1 蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院,蘭州 730050; 2 廣東省化學(xué)危害應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東省水環(huán)境污染在線監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心, 廣東省測(cè)試分析研究所,廣州 510070)
凹凸棒石粘土是1種2∶1型層鏈狀海泡石族的含水富鎂、鋁硅酸鹽粘土礦物,其大的比表面積、微孔結(jié)構(gòu)、特殊的納米棒晶尺寸、良好的耐熱性以及廉價(jià)、易得、儲(chǔ)量豐富的優(yōu)勢(shì)使其有望成為優(yōu)異的吸附劑。由于凹凸棒石棒晶表面能較高,一般常以晶束的形式存在。高度的團(tuán)聚減小了凹凸棒石與吸附質(zhì)的接觸面積,降低了吸附能力。為提高凹凸棒石的負(fù)載能力和吸附性能,常采用熱處理脫除棒晶結(jié)構(gòu)中不同狀態(tài)的水,或采用酸、堿處理使部分四面體、八面體溶解并置換層間小半徑的離子,或采用表面活性劑或硅烷偶聯(lián)劑取代棒間無(wú)機(jī)離子而使凹凸棒孔道疏松、孔數(shù)目增多或孔容積增大。但綜觀文獻(xiàn),現(xiàn)有的預(yù)處理或改性只是在微觀上改善了凹凸棒石晶體的內(nèi)孔體積以及凹凸棒的比表面積,并未充分利用單分散棒晶的有效面積。
異氰酸酯基團(tuán)具有很強(qiáng)的反應(yīng)活性,可與氨基、羧基、羥基等多種官能團(tuán)反應(yīng)。因此,利用二異氰酸酯化合物與凹凸棒石的硅羥基發(fā)生反應(yīng)不僅可實(shí)現(xiàn)凹凸棒石的異氰酸酯功能化[1-2],而且功能化的凹凸棒石表面的異氰酸酯基團(tuán)可與含活潑氫的雙官能團(tuán)分子反應(yīng),將單分散的凹凸棒石棒晶以共價(jià)鍵形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。鍵合分子不僅可將功能化的凹凸棒石連接起來(lái),而且充當(dāng)了“間距分子”的作用,有效的抑制了棒晶的團(tuán)聚、改變了棒晶的表面性質(zhì)。
鑒于此,以甲苯二異氰酸酯(TDI)為耦合劑、不同鏈長(zhǎng)的二元醇為鍵合劑制備系列三維凹凸棒石,分析二元醇鏈段長(zhǎng)度、TDI與二元醇的摩爾比對(duì)三維凹凸棒石吸附性能的影響。研究三維凹凸棒石對(duì)孔雀石綠(Malachite Green,MG)的吸附特性。本研究旨在為凹凸棒石三維載體的制備提供新方法,為凹凸棒石的高值化利用提供新思路。
凹凸棒(工業(yè)純,江蘇盱眙玖川科技有限公司提供),甲苯,無(wú)水乙醇,六偏磷酸鈉,濃鹽酸,甲苯二異氰酸酯(TDI),孔雀石綠,己二醇,聚乙二醇300,聚乙二醇600,聚乙二醇2000,聚乙二醇4000均為市售分析純?cè)噭?/p>
本文中所使用的儀器均為實(shí)驗(yàn)室常用儀器。
三維凹凸棒石的制備采用從表面接枝法(graft from)[1]。取10 g酸化處理的凹凸棒石(HATP)加入60 mL甲苯中,室溫超聲1h。按照1.4 mmol TDI/1g ATP比例加入TDI-甲苯溶液,室溫下反應(yīng)24h得TDT-ATP。反應(yīng)結(jié)束后,按照一定的摩爾比加入不同鏈段長(zhǎng)度的二元醇,80 ℃反應(yīng)8 h。經(jīng)純水洗滌、乙醇抽提,干燥后獲得系列三維凹凸棒石,記為TATP,分別為TATP1、TATP2…TATP5,其中1、2…5分別代表己二醇(Hexanediol,HED),聚乙二醇300(PEG300),聚乙二醇600(PEG600),聚乙二醇2000(PEG2000),和聚乙二醇4000(PEG4000)。
采用傅里葉紅外分析儀(Fourier transform infrared spectroscopy,F(xiàn)I-IR,NicoletAVTAR360)對(duì)三維凹凸棒石進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,波譜范圍為4 000-1~4 00 cm-1。采用Thermo Science Escalab 250Xi光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectrometer,XPS)對(duì)三維凹凸棒石進(jìn)行化學(xué)組成分析。采用美國(guó)Micromeritics 型號(hào)為ASAP 2020對(duì)三維凹凸棒石進(jìn)行氮?dú)馕摳綄?shí)驗(yàn)。采用型號(hào)為NETZSCH STA-449F3熱重分析儀(Thermogravimetry,TG)對(duì)三維凹凸棒石進(jìn)行熱失重分析,升溫速度10 ℃/min,溫度范圍為室溫到800 ℃,氮?dú)獗Wo(hù)。采用JOEL JEM-1200EX型透射電鏡(Transmission electron microscopy,TEM)對(duì)制備得到的三維凹凸棒石進(jìn)行形貌觀察。
取50 mg/L、100 mL的孔雀石綠溶液,通過(guò)HCl或NaOH調(diào)節(jié)pH,隨后加入50 mg吸附劑,恒溫震蕩,靜置,取上清液用紫外分光光度計(jì)在617 m處測(cè)其吸光度。利用式1計(jì)算吸附容量qt。
qt=(c0-ct)×V/m
(1)
式(1)中:c0為孔雀石綠溶液的初始濃度,mg/L;ct為t時(shí)刻孔雀石綠溶液,mg/L;V為溶液的體積,L;m為所用三維凹凸棒石的質(zhì)量,g。
系列TATP的紅外譜圖如圖1所示。由圖1可知,ATP的紅外譜中3 400和3 551 cm-1處的特征吸收峰屬于凹凸棒石孔道中的吸附水和結(jié)晶水,1 650 cm-1處的特征峰來(lái)自于水分子中的-OH的彎曲振動(dòng)[3-4]。1 031和985 cm-1是凹凸棒石中Si-O-Si的伸縮振動(dòng)。與ATP的FT-IR圖比較,經(jīng)TDI改性的凹凸棒石TDI-ATP在2 277 cm-1處出現(xiàn)-NCO的特征峰[5],按不同鏈段長(zhǎng)度的二元醇制備的系列TATP1、TATP2…TATP5的FT-IR圖中在1 700和1 540 cm-1處出現(xiàn)了C=O和-NH的伸縮振動(dòng)峰[6],這是說(shuō)明TDI分子中的-NCO基團(tuán)與二元醇的-OH反應(yīng)生成了-NHCOO-,證明了氨基甲酸酯基團(tuán)-NHCOO-的存在。同時(shí),在1 603 cm-1出現(xiàn)了苯環(huán)的振動(dòng)特征峰,在2 800~2 900 cm-1處出現(xiàn)了-CH的特征振動(dòng)峰。上述特征吸收峰的出現(xiàn)說(shuō)明二元醇鍵合分子通過(guò)與異氰酸酯官能化的ATP反應(yīng),將凹凸棒石棒晶以共價(jià)鍵的方式鍵合在一起,形成了以凹凸棒石棒晶為骨架的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
圖1 系列TATP的紅外譜圖Fig 1 Infrared spectrum of series TATP
選擇 ATP、TDI-ATP和TATP3進(jìn)行XPS測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖2所示。通過(guò)與ATP的XPS總譜圖進(jìn)行對(duì)比可以看出,TDI-ATP和TATP3的XPS總譜圖在400 eV處出現(xiàn)1個(gè)N的新峰[7],進(jìn)而對(duì)TDI-ATP和TATP3的C1s和N1s進(jìn)行分峰擬合,擬合結(jié)果如圖3所示。圖3(a)為TDI-ATP的C1s的分峰擬合圖,在284.9,285.7,286.6,289.0 eV分別對(duì)應(yīng)C-H,C-N,C-O,C=O的結(jié)合能[8],圖3(b)為TDI-ATP的N1s的分峰擬合圖,在400.3 eV,399.5 eV處擬合出-N=,-NH-兩個(gè)峰[9],這些峰的存在證明了TDI-ATP中-NHCOO結(jié)構(gòu)的存在,證實(shí)了TDI的-NCO與ATP的Si-OH發(fā)生反應(yīng)生成了-NHCOO。圖3(c)為TATP3的C1s的分峰擬合圖,在 284.8,285.7,286.4,289.0 eV處對(duì)應(yīng)C-H,C-N,C-O,C=O的結(jié)合能,圖3(d)為TATP3的N1s的分峰擬合圖,在400.6,399.2,399.9 eV對(duì)應(yīng)的-N=,O=C-N-H-C,N-H中N的結(jié)合能。這些峰的出現(xiàn)證明了二元醇的-OH與-NCO發(fā)生了反應(yīng)。
圖2 ATP,TDI-ATP,TATP3的XPS總譜譜圖Fig 2 Survey XPS Spectra of ATP,TDI-ATP,TATP3
由表1可以看出,TDI-ATP的C1s分峰擬合出的C-N特征峰的相對(duì)峰面積為26.28%,而TATP3中的C-N特征峰的相對(duì)峰面積增加到29.12%,TDI-ATP的N1s分峰擬合出的-N=特征峰的相對(duì)峰面積為29.39%,而TATP3中的-N=特征峰的相對(duì)峰面積減小到20.90%,與TDI-ATP的C1s和N1s的對(duì)比,TATP3表現(xiàn)為C-N特征峰的相對(duì)峰面積增加和-N=特征峰的相對(duì)峰面積減小,證實(shí)了TDI-ATP表面上的-NCO與二元醇PEG600的-OH反應(yīng)生成-NHCOO-,同時(shí),還有-NH-,C-O,C-H,C-N,C=O特征峰的出現(xiàn),這些峰與紅外譜圖的結(jié)果一致,證明了TDI的異氰酸酯基團(tuán)接枝到凹凸棒石表面上,且二元醇的-OH與接枝到凹凸棒石表面上的TDI的異氰酸酯基團(tuán)發(fā)生了反應(yīng)。
圖3 TDI-ATP(a)、TATP3(c)的C1s;TDI-ATP(b)、TATP3(d)N1s的XPS圖Fig 3 XPS Spectra C1s of TDI-ATP (a) and TATP3 (c), and N1s of TDI-ATP (b) and TATP3 (d)
表3 TDI-ATP、TATP3的C1s和N1s特征峰相對(duì)面積
選取TATP1、TATP3和TATP5進(jìn)行TEM測(cè)試,進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析,TEM圖如圖4所示。圖4(a)為ATP的TEM圖,從圖4(a)可以看出,未改性的凹凸棒石呈現(xiàn)的是單根分散狀態(tài),圖4(b)- (d)分別為TATP1、TATP3和TATP5的透射電鏡圖,可以看出改性后的凹凸棒石棒晶交織在一起形成了小范圍內(nèi)團(tuán)聚的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這與FT-IR的結(jié)論一致,證明成功的制備了三維凹凸棒石。
選擇了TATP3進(jìn)行了氮?dú)馕摳綔y(cè)試,吸附等溫線如圖5所示。由圖5可以看出,TATP3的吸脫附等溫曲線屬于第Ⅳ類等溫曲線,在高比壓區(qū)(0.4
圖4 ATP(a),TATP1(b),TATP3(c), TATP5(d)的TEM圖Fig 4 TEM images of ATP, TATP1, TATP3 and TATP5
圖5 TATP3吸脫附等溫線與分布圖Fig 5 Adsorption isotherms and pore size distribution of TATP3
由氮?dú)馕摳角€和孔徑分布圖可以得到TATP3的孔結(jié)構(gòu)參數(shù),如表2所示。
表2 ATP及TATP3的孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)
從表1可以看出,ATP的平均孔徑為8.29nm,TATP3的平均孔徑為14.91 nm,與ATP相比,TATP3的平均孔徑增加了80%,PEG600-TATP0.5的孔容為0.25 cm3/g與ATP的孔容0.24 cm3/g比較,變化不大。
對(duì)原土ATP和系列三維凹凸棒石進(jìn)行熱失重測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。
圖6 ATP和系列TATP的TG圖Fig 6 TG curves of ATP and series of TATP
從圖6中ATP的熱失重曲線可以看出,室溫到110℃左右,ATP有一個(gè)較為明顯的失重平臺(tái),這是由于凹凸棒石孔道結(jié)構(gòu)內(nèi)的沸石水和物理吸附的水脫除造成的;第二個(gè)失重平臺(tái)出現(xiàn)在160 ℃到330 ℃之間,是來(lái)自凹凸棒石八面體結(jié)構(gòu)邊緣上陽(yáng)離子的配位水的消除和部分剩余的沸石水;第三個(gè)失重平臺(tái)出現(xiàn)330~590 ℃之間,失重源自凹凸棒石中結(jié)晶水的脫羥基作用和殘留的八面體結(jié)構(gòu)邊緣上陽(yáng)離子的配位水的消除[11];600~800 ℃之間質(zhì)量的損失是由于一系列方解石或者鐵白云石的碳酸鹽的脫除引起的,也有可能是發(fā)生了鐵白云石轉(zhuǎn)換為方解石的反應(yīng)造成的[12]。而系列三維凹凸棒石的熱失重曲線大致分為3個(gè)階段,第一階段為室溫到110 ℃,5種三維凹凸棒石在此階段的損失為2%~6%,這一階段的失重是因?yàn)槿S凹凸棒的表面或者是孔道結(jié)構(gòu)中少量吸附水的脫除造成的,第二階段為150~330 ℃,這一階段的失重平臺(tái)產(chǎn)生源自接枝到ATP表面的TDI所致[13],當(dāng)二元醇為HED、PEG300、PEG600、PEG2000和PEG4000時(shí),對(duì)應(yīng)的接枝在ATP表面的TDI的相對(duì)含量為12.69%、7.98%、13.23%、11.61%和10.23%;第三階段的失重區(qū)間為330~700 ℃,這一階段的失重主要源自接枝到TDI-ATP表面的二元醇分子鏈所致[3],在這階段TATP的二元醇接枝率為16.23%、9.89%、22.94%、21.89%和21.27%。從200~700 ℃之間原土ATP的質(zhì)量損失為11.81%,當(dāng)二元醇為HED、PEG300、PEG600、PEG2000和PEG4000時(shí),對(duì)應(yīng)的三維凹凸棒石的質(zhì)量損失為22.26%,20.45%,31.60%,30.15%和31.19%。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),制備的三維凹凸棒石在200℃~700℃的失重明顯高于原土ATP,這也證明了有機(jī)分子成功的接枝到了凹凸棒石表面上,這一結(jié)果與三維凹凸棒石的FT-IR圖和XPS分峰擬合結(jié)果共同證明了TDI的異氰酸酯基團(tuán)成功接枝到了ATP表面上,且二元醇的-OH與異氰酸酯功能化的ATP發(fā)生了反應(yīng)。
二元醇與TDI的摩爾比、二元醇鏈段長(zhǎng)度對(duì)TATP吸附性能的影響。從圖7可以看出,隨二元醇鏈長(zhǎng)度的增加,不同摩爾比制備的系列TATP對(duì)孔雀石綠的吸附能力均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì),以PEG600為鍵合分子制備的TATP3對(duì)孔雀石綠具有最大的吸附能力,為89.83 mg/g,與原土ATP的68.64 mg/g比較提高了31.02%。對(duì)不同鏈長(zhǎng)的鍵合分子而言,TATP對(duì)孔雀石綠的吸附能力均呈現(xiàn)隨TDI與二元醇摩爾比增大而增加的趨勢(shì)??紤]到鍵合分子反應(yīng)的有效性,下面實(shí)驗(yàn)中,選擇二元醇為PEG600,PEG600與TDI摩爾比為1∶0.5制備的TATP3對(duì)孔雀石綠進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。
圖7 二元醇與TDI的摩爾比、二元醇鏈段長(zhǎng)度對(duì)TATP吸附性能的影響Fig 7 Effect of the molar ratio of TDI to diol and the length of diol segment on TATP adsorption performance
pH值對(duì)TATP3吸附孔雀石綠的性能影響如圖8所示。在pH為2-8的范圍內(nèi),TATP3對(duì)孔雀石綠吸附量隨pH的升高而增加,吸附量從67.30 mg/g增加到88.48 mg/g,最大吸附量出現(xiàn)在pH=8時(shí),而當(dāng)pH值大于8時(shí),其吸附量隨pH的升高而略有減小。這是因?yàn)榭兹甘G為陽(yáng)離子染料,在pH較低時(shí),溶液中大量H+與孔雀石綠陽(yáng)離子競(jìng)爭(zhēng)吸附占據(jù)吸附位點(diǎn)由于靜電斥力抑制了孔雀石綠陽(yáng)離子的吸附[14],隨著溶液pH的逐漸增加,溶液中H+的含量逐漸減小,孔雀石綠的吸附容量在逐漸增加,在pH=8時(shí)有最大的吸附量,這是因?yàn)閜H=8時(shí)更多的孔雀石綠的結(jié)合位點(diǎn)暴露,這使孔雀石綠陽(yáng)離子擴(kuò)散進(jìn)入吸附劑中并發(fā)生離子交換、靜電作用、范德華力、氫鍵等作用,使得孔雀石綠陽(yáng)離子吸附到吸附劑上[15]。
圖8 pH值對(duì)TATP3吸附性能的影響Fig 8 Effect of pH on the adsorption of MG by TATP3
在293~333 K范圍內(nèi),TATP3對(duì)MG的吸附等溫線如圖9所示。利用Langmuir、Freundlic[16]和Tempkin[17-18]等溫方程對(duì)曲線進(jìn)行回歸處理,并以相關(guān)系數(shù)R2(R2≥0.99)作為判斷標(biāo)準(zhǔn),擬合參數(shù)列于表3。擬合結(jié)果表明Langmuir方程可以很好的描述TATP3對(duì)孔雀石綠的吸附過(guò)程(R2均大于0.99),qm單層飽和吸附量(mg·g-1)和吸附平衡常數(shù)b(L·g-1)均隨溫度的升高而升高,說(shuō)明TATP3對(duì)MG的吸附過(guò)程為吸熱反應(yīng),升高溫度有利于吸附過(guò)程的發(fā)生。在研究的濃度范圍內(nèi)Langmuir等溫方程的特征分離常數(shù)RL在0 表3 TATP3對(duì)MG的吸附等溫方程擬合結(jié)果 圖9 TATP3對(duì)孔雀石綠的吸附等溫線Fig 9 Adsorption isotherm of MG by TATP3 不同濃度和不同溫度下TATP3對(duì)MG吸附動(dòng)力學(xué)曲線分別如圖10和圖11所示。 圖10 不同濃度下孔雀石綠的吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig 10 Different initial concentrations on adsorption of MG by TATP3 圖11 不同溫度下孔雀石綠的吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig 11 Different initial temperatures on adsorption of MG by TATP3 從圖10可以看出,隨著孔雀石綠溶液濃度的增大,平衡吸附量和達(dá)到吸附平衡的時(shí)間也隨著增加。在前30 min內(nèi)吸附速率較快,30 min后吸附量緩慢增加逐漸上升至平衡。這種情況產(chǎn)生的原因可能是因?yàn)槲皆谝婚_始是一種表面作用,吸附速率較大,30 min后的慢吸附是因?yàn)榭兹甘G向吸附劑的內(nèi)部遷移,這一過(guò)程的速率較慢。從圖11可以看出,溫度升高,吸附速率增大;溫度升高,平衡吸附量增加,這說(shuō)明TATP3對(duì)孔雀石綠是吸熱反應(yīng)。 采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、Elovich模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。TATP3對(duì)MG的吸附符合如式(2)所示的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,非線性擬合得到的qcal和qexl很接近,其相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表3,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)k2隨著溫度的升高而增大,說(shuō)明升高溫度有利于TATP3對(duì)孔雀石綠的吸附。 (2) 式(2)中:k2代表準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)(g·mg-1·min-1)。 模擬的動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表4。從表中可以看出,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)均大于0.99,并且通過(guò)模擬計(jì)算得到的平衡吸附量與實(shí)驗(yàn)值也較為相符。 表4 吸附孔雀石綠的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù) 利用式(3-5)可以計(jì)算熱力學(xué)參數(shù)。 Kd=qe/ce (3) ΔG=-RTlnKd (4) lnKd=ΔSθ/R-ΔHθ/RT (5) 式(3)中:Kd為吸附平衡后的平衡常數(shù) 由公式3可知,以lnKd對(duì)1/T作圖,由得到的斜率和截距可計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)吸附焓變和標(biāo)準(zhǔn)吸附熵變,計(jì)算結(jié)果見表5。 表5 熱力學(xué)參數(shù) 由表5計(jì)算結(jié)果可以看出,ΔHθ>0,說(shuō)明吸附為吸熱反應(yīng),升溫有利于吸附反應(yīng)的發(fā)生;ΔSθ>0說(shuō)明該反應(yīng)是熵值增加的過(guò)程,即在吸附過(guò)程中固液面之間的有序度減少,混亂度增加[20];也反映了吸附劑和吸附質(zhì)之間較強(qiáng)的親和力,并在吸附過(guò)程中吸附劑可能發(fā)生了結(jié)構(gòu)變化。吸附自由能ΔG是吸附推動(dòng)力和吸附有利性的體現(xiàn),物理吸附的自由能一般在-20~0 kJ/mol,化學(xué)吸附在-400~80 kJ/mol范圍內(nèi)。從表中可以看出,TATP3對(duì)MG的吸附自由能在-7到-8.64 kJ/mol之間,表明TATP3對(duì)MG的吸附是物理吸附。在不同溫度下,ΔG均為負(fù)值,說(shuō)明吸附過(guò)程是不可逆方式自發(fā)進(jìn)行的。并且隨著溫度升高,ΔG絕對(duì)值逐漸增大,表明溫度越高,吸附過(guò)程自發(fā)程度越大,說(shuō)明升高溫度利于吸附反應(yīng)的進(jìn)行。 以TDI為耦合劑和PEG600為鍵合劑制備了TATP3,通過(guò)FI-IR、TEM、XPS等表征手段對(duì)TATP3進(jìn)行了表征分析。在研究溫度和濃度范圍內(nèi),TATP3對(duì)孔雀石綠溶液的吸附平衡符合Langmuir吸附等溫方程,其吸附標(biāo)準(zhǔn)焓變?yōu)?.14 kJ/mol,為吸熱反應(yīng);吸附吉布斯自由能為負(fù)值,是自發(fā)反應(yīng),吸附表現(xiàn)為物理吸附;吸附動(dòng)力學(xué)模擬符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,并遵循準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程所描述的規(guī)律。2.5 吸附動(dòng)力學(xué)
2.6 熱力學(xué)參數(shù)
3 結(jié) 論