PAN活性超细碳纤维毡制备及其对双酚A的吸附研究

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双酚A(BPA)被广泛应用于粘合剂、建筑材料、包装材料等的生产中,大量含BPA的产品也随之进入人们的日常生活,但是BPA属于内分泌干扰物质,对人们的健康具有潜在危害。目前从水体中去除和降解BPA的方法主要有物理法、化学法及生物降解法。其中以物理法中的吸附处理应用最为广泛。而活性炭纤维(ACF)具有高比表面积和均一的微孔结构在废水、废气处理、水净化等领域有着广泛的应用。而用活性超细碳纤维毡对双酚A的吸附处理研究尚未见报导,因此研究超细活性碳纤维毡吸附剂的制备及其对双酚A的吸附具有一定的现实意义。活性超细碳纤维毡(简称ASCFM)制备的主要步骤有原丝合成、预氧化、炭化以及活化。本文首先通过混合溶液聚合法制备了不同分子量的聚丙烯腈(PAN),然后静电纺丝制备超细纤维毡并进行预氧化和炭化。结果表明,PAN的分子量大于30万则不利于静电纺丝,小于5万则纤维毡发脆,无法进一步加工处理成碳纤维毡。随着PAN分子量的升高,碳纤维的直径和得率增大。此外,抗拉强度测试表明随着分子量的增大超细碳纤维毡的抗拉强度增加。选择强度最好的W3试样的超细炭化纤维毡进行活化研究,其抗拉强度为17.9MPa。其次,论文以高温水蒸气为活化剂,分别采用电加热活化法和微波加热活化法进行了活化研究。电加热活化的ASCFM比表面积随着活化温度的增加而增大,活化得率随着活化温度的增加而降低,最佳ASCFM试样HW3a的比表面积为946.7m2/g,得率为29.5%。微波活化的ASCFM比表面积随着活化时间的增加而增大,活化得率随着活化时间的增加而减小,最佳ASCFM试样HW3b的比表面积为956.3m2/g,得率为33.3%。综合比表面积、得率、能耗等方面因素表明,微波活化法优于电加热活化法,最佳活化工艺为:微波高火活化2.5 min。HW3b试样的孔径分析显示ASCFM的孔结构主要由微孔构成,孔径分布在0.9 nm附近,几乎没有中孔和大孔。再次,论文将HW3b试样应用于双酚A的吸附研究。从静态吸附、吸附动力学、吸附热力学、吸附剂再生和重复利用等角度分析了ASCFM对双酚A的吸附行为。结果表明,ASCFM对双酚A的去除率在第10 min就已经达到66%以上,可见高比表面积及均匀的微孔分布使ASCFM对双酚A的吸附速度非常快。ASCFM对原始浓度为80 mg/L双酚A的去除率可达到99%以上,对双酚A的平衡吸附量可达到140 mg/g以上。ASCFM的平衡吸附量随着BPA初始浓度的增大而增大,随着温度的升高而减小,当pH值为2~9时ASCFM对双酚A的吸附量变化不大(当pH值为4时吸附量达到最大值),当pH值大于9后吸附量明显下降,说明碱性条件不利于ASCFM对双酚A的吸附。与拟一级方程相比,拟二级动力学方程更符合ASCFM对双酚A的吸附。热力学计算显示双酚A在ASCFM上的吸附焓变ΔH<0,自由能变ΔG<0,说明吸附过程为自发的放热过程,ΔG为-24.18~-22.65 kJ/mol,接近-20 kJ/mol,ΔH为-45.77 kJ/mol,绝对值小于60kJ/mol说明ASCFM对双酚A的吸附主要为物理吸附。最后,论文研究了ASCFM的循环利用的方法,电加热300℃脱附1h即可回用,5次回用后,纤维毡的质量在96%以上,BPA的去除率仍能保持在90%左右,说明ASCFM可以再生。吸附及脱附回用的分析表明,尽管活性超细碳纤维毡的制备成本较高,但其对双酚A的吸附效果好,而且可以重复多次使用,这为活性超细炭纤维毡吸附剂在水深度处理中的应用提供了重要的技术支持。
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