多孔疏水复合材料的研制及其对甲苯吸附的研究

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目前,VOC(volatile organic compound)已经对环境和人体健康造成了很大的危害,引起了研究者的广泛关注,因此,对于VOC的治理方法也有很多研究和报道,如催化-氧化法、生物法、等离子体法以及吸附法。其中吸附法是一种简单、方便、快捷的处理方法,应用广泛。吸附法最重要的就是吸附剂,而活性炭是最常用而且应用最多的,因为活性炭拥有巨大的比表面积和丰富的孔结构,特别是微孔。但是,活性炭对VOC的吸附容易受到空气湿度的影响已经成为研究者的共识,而且严重之时会使活性炭失去吸附能力。活性炭的吸附量之所以受到湿度的影响主要原因就在于活性炭表面拥有极性基团,可以通过氢键吸附水分子。   因此,改变吸附材料表面的化学性质是吸附材料的吸附量不受湿度影响的重要方法。通过改性减少材料表面的极性基团,增加材料的疏水性是一种减少空气湿度影响的有效办法。改变材料表面的化学性质有很多种方法,如表面有机改性、高温缺氧处理等,这些方法都可以增加材料表面的非极性。但是高温缺氧的条件比较苛刻,而表面有机改性剂是一种比较理想的方法。为此,我们采用了3种不同的改性剂分别对活性炭、膨胀石墨以及聚氨酯多孔材料进行改性、制备复合材料,希望通过改性能够具有以下优点:1)制备出一种新的吸附材料,能够有效的吸附VOC;2)该吸附材料的吸附量不受湿度的影响;3)该吸附材料应具有较快的吸附速率;4)该吸附材料原料丰富,价格低廉。   通过浸渍法把改性剂负载到蜂窝状活性炭(WAC)、膨胀石墨(EG)和聚氨酯(PU)的表面,通过动态实验和静态实验分别考察了影响复合材料的吸附量和吸附速率的影响因素,实验结果表明,   ⑴该新型疏水复合吸附剂的表面具有疏水性,而且疏水性随着复合吸附材料负载改性剂的量的增加而增加;复合材料以氮气测定的比表面积与改性前相比减小了,都不超过2m2g-1,而且改性剂的负载量越大,复合材料的比表面积越小;复合材料的孔径分布表明,在复合材料的表面没有孔,改性前所拥有的微孔或者中孔在改性之后也没有了。   ⑵WAC、EG和PU在复合材料中主要是载体作用,它们不影响复合材料对VOC的吸附能力(动态吸附实验时),这三种载体负载改性剂的量的顺序为:WAC<EG≈PU。对同一种载体来说,三种改性剂的最大负载量是凡士林最大,而植物油最小。三种载体虽然不影响复合材料的吸附量,但是载体的空间结构影响着复合材料对VOC的吸附速率。三种载体相比,以WAC为载体的复合材料的吸附速率最小,而以EG和PU为载体制备的复合材料的吸附速率接近,PU稍大一些。复合材料的吸附速率都是随着复合材料负载改性剂的量的增加而减小。   ⑶复合材料对甲苯气体的吸附量与改性剂在复合材料中的含量成线性关系,所以复合材料负载改性剂的量对其吸附甲苯的能力有很大的影响。而且改性剂对甲苯吸附量的大小随其自身的不饱和度的增加而增加。WAC的改性剂的负载量随着WAC的孔径的增加而减小,EG的负载量随着EG膨胀倍数的增加而增加,PU的负载量随着孔径的增加而减小。当PU的孔径为1-1.5 mm时,复合材料的吸附量和吸附速率比较合适。   ⑷随着吸附温度的升高,复合材料的吸附量不断的降低,复合材料的饱和度越大,吸附量受温度的影响越明显,当温度升高到348 K时,复合材料基本上失去吸附能力。但是在相对湿度为53%-90%的范围内,复合材料的吸附量不受湿度的影响,这与活性炭相比具有巨大的优越性。   ⑸复合材料对甲苯的吸附主要是由于改性剂对甲苯的溶解产生的,因此,改性剂和吸附质的性质对复合材料的吸附量有重要影响,对同一种改性剂而言,随着吸附质非极性的增加而复合材料的吸附量增加,对同一种吸附质而言,不饱和度越大,复合材料的吸附能力越强。   ⑹复合材料通过15次的加热再生之后发现,复合材料的吸附量随再生次数的变化不完全一样。例如,PEG(plant oil-loaded EG)、AEG(animal oil-loaded EG)和MEG(vaseline-loaded EG)最初的吸附量为341.3,279.5和235.1 mg g-1;当再生7次时,PEG和AEG的吸附量降低为195.2和223.1 mg g-1;当再生次数为15次时,PEG和AEG的吸附量降低为165.7和187.3 mg g-1;而MEG的吸附量基本保持不变。复合材料吸附量的减少主要是由于改性剂不饱和键的破坏所造成的。
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