基于多巴胺改性活性炭及其吸附甲醛性能研究

耿宏偉，謝艷亭，郝文姝，陳燕，李彩霞

(朔州陶瓷職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 朔州 036000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步和生活水平的不斷提高，各種類型的室內(nèi)裝飾越來越受歡迎，人們?cè)絹碓疥P(guān)注自己的居住環(huán)境，這引發(fā)了一波室內(nèi)裝飾熱潮。室內(nèi)裝飾材料種類繁多，各種添加劑的使用也越來越廣泛。由脲醛樹脂和酚醛樹脂粘合而成的人造板含有游離甲醛，在室溫下可以釋放到空氣中。同時(shí)，由于室內(nèi)氣密性的提高和空調(diào)、加濕器等新型電器的普及，室內(nèi)裝修帶來的污染物無法及時(shí)消除，導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境污染日益嚴(yán)重。常見的室內(nèi)空氣污染物如甲醛、苯、氨等揮發(fā)性有機(jī)化合物。其中，甲醛因其來源廣、污染時(shí)間長、毒性大，已成為室內(nèi)污染的首要污染物，越來越受到人們的關(guān)注[1-3]。

目前最常用的吸附劑有：顆粒活性碳、活性炭纖維、分子篩、活性氧化鋁、多孔粘土礦石、硅膠、沸石等。與樹脂、硅膠、沸石等吸附劑相比，活性炭具有許多獨(dú)特且不可替代的特性。活性炭具有不同的孔徑分布和孔隙形狀；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能耐酸、耐堿，能在較大的酸堿度范圍內(nèi)應(yīng)用；活性炭不溶于水和其他溶劑，可以在水溶液和許多溶劑中使用[4]。

而且活性炭有較發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，孔徑分布范圍較廣，具有孔徑大小不同的孔隙，能吸附分子大小不同的各種物質(zhì)。其表面積大，炭粒中還有更細(xì)小的孔，稱為毛細(xì)管。其有很強(qiáng)的吸附能力，能與氣體(雜質(zhì))充分接觸。當(dāng)氣體碰到毛細(xì)管就會(huì)被吸附，從而起到起凈化作用，包括去除異味和某些液體的顏色等?；钚蕴空怯蔀檫@些優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于治理水體，空氣，土壤等環(huán)境中有機(jī)，無機(jī)，細(xì)菌及塵埃等污染物[5-6]。由于活性炭的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)大，這就對(duì)其性能也提出了更嚴(yán)格的要求，在“高吸附、多功能、高強(qiáng)度”的總要求下，降低活性炭的使用成本，擴(kuò)大使用范圍，提高利用率成為新的發(fā)展趨勢[7]。由于目前市場上的活性炭種類少，技術(shù)含量低，缺少功能化、高品質(zhì)的專用活性炭。而采用某種可行的途徑對(duì)其進(jìn)行表面改性，可以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的[8]。

而多巴胺可以沉積在幾乎任何物質(zhì)表面，只要將基底材料放置在pH 值為8.5 的多巴胺-Tris 緩沖溶液中就可在基底表面沉積一層PDA 薄膜。這種方法對(duì)基底材料的形狀、尺寸、組成和表面性能都沒有要求[9-10]。究其原理是由于將固體材料浸入堿性的多巴胺溶液中，在氧氣的作用下，多巴胺發(fā)生自聚合反應(yīng)，而且PDA 薄膜的厚度與反應(yīng)時(shí)間、多巴胺溶液的濃度以及反應(yīng)溫度都有關(guān)系，不同的反應(yīng)條件得到的PDA 薄膜的厚度從幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米不等[11-12]。該方法條件溫和，對(duì)材料的形狀、大小均無限制，且對(duì)材料本身的性質(zhì)無破壞。有研究表明，PDA 薄膜的厚度隨反應(yīng)時(shí)間的延長而逐漸增加，所以，PDA 薄膜的厚度可通過反應(yīng)時(shí)間來調(diào)控[13-15]。

本文針對(duì)不同形狀的活性炭做了多巴胺改性，將多巴胺薄膜包覆在活性炭表面，并研究了其吸附甲醛的性能?？梢詮V泛應(yīng)于建筑材料中，針對(duì)目前房屋、家具甲醛問題有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 pH 值為8.5的多巴胺-Tris 緩沖溶液配置

(1)將1.514 g Tris 固體粉末加入到50 mL 蒸餾水中，然后加入0.32 mL 鹽酸攪拌10 min,后再加入250 mL 蒸餾水?dāng)嚢?0 min 后得到pH 值為8.5 的Tris 緩沖溶液。

(2) 每100 mL Tris 緩沖溶液加入0.2 g 多巴胺得到多巴胺-Tris 緩沖溶液(每100 mL 對(duì)應(yīng)2 g 待改性物質(zhì))，按照上述量配置即加入0.6 g 多巴胺，得到300 mL 多巴胺-Tris 緩沖溶液。

1.2 多巴胺改性活性炭

將顆?；钚蕴?、柱狀活性炭、破碎活性炭分別稱量2 g 加入到100 mL 多巴胺-Tris 緩沖溶液中，保鮮膜封口將其在室溫下攪拌24 h 后用蒸餾水洗滌或透析至中性(pH=7)，烘干后得到多巴胺改性后產(chǎn)物。

1.3 改性前后活性炭吸附甲醛氣體測試

1.3.1 吸附裝置氣密性測試

將甲醛溶液取0.2 mL 于密閉容器中，待其揮發(fā)為甲醛氣體。采用甲醛吸附儀測定其初始甲醛濃度，后連續(xù)測量120 min，分別記錄其甲醛濃度，以此測量容器氣密性。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)甲醛濃度在120 min 內(nèi)基本保持穩(wěn)定，說明裝置氣密性良好，可進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 甲醛吸附測試

將甲醛溶液取0.2 mL 于密閉容器中，待其揮發(fā)為甲醛氣體。向密閉容器內(nèi)投入0.01 g 不同種類活性炭(顆?；钚蕴?、柱狀活性炭、破碎活性炭)，記錄120 min內(nèi)甲醛濃度的變化。

采用同樣方法，將多巴胺改性后的不同活性炭稱取相同質(zhì)量投入密閉容器中，測得120 min 內(nèi)甲醛的濃度變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 多巴胺改性前后活性炭SEM 分析

如圖1(a) 所示，改性前破碎活性炭表面溝壑較多，存在部分破碎后的碎片，孔隙不明顯；如圖1(b)所示，經(jīng)過改性后的破碎活性炭表面較平整，沒有突出的碎片阻擋孔隙，而且在表面及孔隙內(nèi)全部包覆了一層聚多巴胺涂層。

圖1 破碎活性炭SEM

如圖2(a) 所示，可以看出柱狀活性炭表面孔隙沒有破碎后的密集，而且存在較多碎片堆積導(dǎo)致孔隙不明顯甚至阻擋了部分孔隙；如圖2(b)所示，改性之后的柱狀活性炭表面溝壑基本消失，即使存在堆疊，但之間仍有縫隙，孔隙較改性前明顯且密集。

圖2 柱狀活性炭SEM

如圖3(a)和3(b)所示，球形活性炭改性前表面較平整，且比較光滑；改性后表面出現(xiàn)裂紋，這是由于多巴胺在聚合過程中出現(xiàn)局部收縮而導(dǎo)致的龜裂現(xiàn)象；如圖3(c) 和3(d) 所示，而且看到改性后的球形活性炭表面較為粗糙，這是由于多巴胺發(fā)生氧化聚合反應(yīng)形成的聚多巴胺粘附在其表面形成的。

圖3 球形活性炭SEM

2.2 多巴胺改性前后活性炭吸附甲醛性能分析

如圖4 所示，改性前后破碎活性炭吸附甲醛整體速率呈現(xiàn)出明顯的差距。可以看出，改性后最高吸附量可以達(dá)到未改性前的兩倍。而改性后當(dāng)1.5 h 后達(dá)到最高吸附值，后出現(xiàn)下降，但最終穩(wěn)定在300.65 mg/g，改性后甲醛吸附量較改性前提高了74.1%。

圖4 破碎活性炭改性前后吸附甲醛性能曲線

如圖5 所示，柱狀活性炭多巴胺改性前后吸附甲醛能力有明顯提高，最高吸附量從20.6 mg/g 提高到35.7 mg/g，相較改性前提高了73.3%。發(fā)現(xiàn)當(dāng)吸附量達(dá)到最高后曲線出現(xiàn)下滑，這是由于在達(dá)到飽和吸附量后出現(xiàn)了解吸現(xiàn)象，但最終都會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)值附近。

圖5 柱狀活性炭改性前后吸附甲醛性能曲線

如圖6 所示，球形活性炭吸附能力明顯高于柱狀活性炭的吸附能力，可以看到，球形活性炭最高吸附量可以達(dá)到柱狀活性炭的十倍左右，這是由于球形活性炭的體積較小，其表面可以充分的包覆聚多巴胺。而且可以發(fā)現(xiàn)改性后的吸附能力較改性前提高了26.8%。

圖6 球形活性炭改性前后吸附甲醛性能曲線

3 結(jié)語

通過多巴胺改性三種不同形狀的活性炭，可以發(fā)現(xiàn)改性后活性炭的吸附甲醛能力較之前有了明顯提高，而且聚多巴胺的反應(yīng)活性為材料表面的二次修飾及多功能化又提供了理想的平臺(tái)，為在材料表面接枝生物活性分子提供了一種簡單而高效的途徑。