活性碳纤维的电吸附性能.pdf

第 1 4卷第 1期 2 0 1 1年 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI AL S Vo1 1 4 No 1 Fe b 2 01 1 文章编号 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 1 0 1 0 1 4 0 0 5 活性碳 纤维 的 电吸附性能 吴梅 芬 金 宇宁 赵 国华 同济大学 化学系 上海 2 0 0 0 9 2 摘要 研究了活性碳 纤维 AC F 表面结构 性质与其电吸 附性能的相关性 并应用于有机污染物的 电吸附去除 结果表明 对 于 S B E r 分别为 7 9 1 1 0 0 3 1 3 1 4 m g的 AC F虽然具有相似的孔径分布 范 围 相近 的等 电点和相 同的表 面微 观 结构 但 S B E T 和微 孔 体积 数 的 不 同将 导致 AC F物理 电 阻值 和表 面 电化 学阻抗 差异较 大 从 而造 成 AC F对 有 机 物苯 酚 的 电吸 附效 果 明显 不 同 而且 AC F的 电吸 附性 能 受到吸 附质 的性 质 初 始 浓度 和介 质 p H 值 的显 著影 响 关键 字 活性 碳 纤维 比表 面 积 电吸 附 苯酚 中 图分 类 号 O6 4 6 5 文 献标 志码 A d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 1 0 1 0 2 8 El e c t r 0 s 0 r p t i0 n l t e r f o r ma n c e o f Ac t iv a t e d C a r b o n Fib e r s ACF V U Me i f e n J I N Yu n in g ZHAO Gu o h u a Ch e mi s t r y De p a r t me n t To n g j i Un iv e r s i t y S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 Ch i n a Ab s t r a c t The c o r r e l a t io n o f t he s u r f a c e s t r u c t u r e a nd c ha r a c t e r is t ic s wi t h t he e l e c t r os o r Dt i on p e r f o r m a n c e of ACF wa s s t ud ie d a nd it wa s u s e d f o r r e mov in g o r ga nic po l l ut a nt s by e l e c t r o s or p t iO n me t ho d Th e r e s ul t s s h o w t h a t t h e ACF s wit h d if f e r e n t BET v a l u e s o f 7 9 1 1 0 0 3 1 3 1 4 m g h a v e t h e s imil a r r a n g e o f a v e r a g e p or e d ia me t e r is o e l e c t r ic po in t a n d t h e s a me s u r f a c e m ic r os t r uc t ur e Howe ve r t he d if f e r e n t BET v a l ue s a nd mic r o p or e v ol u m e s c a n c a us e qu it e d if f e r e nc e s in phy s i c a l r e s is t iv it y a nd e l e c t r o c he m i c a l r e a c t i on r e s is t a n c e o f ACF Th e e I e c t r o s o r p t iv e p e r f o r ma n c e o f t h e s a me ACF is a f f e c t e d b y t h e c h a r a c t e r is t ic s o f a d s o r b a t e it s in it ia l c on c e nt r a t i on a n d pH v a l ue o f m e diu m Ke y W o r d s a c t iv a t e d c a r b on f ibe r s p e c if i c s u r f a c e a r e a e l e c t r o s o r p t io n ph e no l 活性碳纤维 AC F 是一种强度大 密度小 耐腐 蚀 的新 型非 金属 材 料 近 年 来 常用 于混 凝 土 结 构 的 加固修补 可 以起 到 对结 构及构 件加 固补强 的 目 的 1 利用 碳纤 维 的 良好 导 电性 加 入 普通 混 凝 土 中可使其 电阻系数大大降低 使之可在 电工 电磁屏 蔽 采暖工程等方面发挥 重要作用l 3 J 由于活性碳 纤维具有 比表面积大 微孔体积数大 以及 电阻率小 等 特点 近年 来在 材料 环境 处理 和能 源等 领域 的研 究和应用越来越多 5 与其他吸附材料 如活性碳 相 比 AC F具有 连 续 的块 状 结 构 能 直 接 用 作 电 吸 附电极 因此可以简化制作工艺并降低使用成本 然 而 有关 AC F的电吸附性能还有待进一步研究 其 表 面性质 与 电吸 附性 能 的相 关性 研 究 也 很 少 本文 选取几种不同比表面积的 A C F 分别进行了表面微观 结构 表征 比表 面积 和微 孔体 积 数测 定 以及 AC F电 吸附 电极 的表面 电化学 阻抗测定 并通过 对有机 污染 物苯酚进行电吸附研究 比较了 AC F表面性质 溶液 初始浓度和介质 p H值等因素对电吸附效果的影响 1 试验部分 1 1 A C F的预 处理及 性质 表征 将 AC F在 5 质量 分 数 的 HC 1 溶 液 中 煮沸 收稿 日期 2 0 0 9 1 1 0 6 修订 日期 2 0 1 0 0 6 0 2 基金项 目 国家高科技发展计划 8 6 3计 划 项 目 2 O O 8 AAO 6 Z 3 2 9 国家 自然 科学基 金资 助项 目 2 0 8 7 7 O 5 8 上 海市纳 米基金 资助项 目 0 8 5 2 n m01 2 00 第一作者 吴梅芬 1 9 7 O 上海人 同济大学博士 E ma i l wu mf t o n g j i e d u c n 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 1期 吴 梅芬 等 活性碳纤维 的电吸附性能 1 4 1 1 h后 用蒸馏水洗涤至 中性 再用 5 质量分数 的 Na OH溶液煮沸 1 h 随后洗涤到 p H 保持不变 最后用蒸馏水煮沸 1 h并洗涤到 p H 值保持不变 在 1 0 5 的烘箱 中烘 干 2 4 h 直 至恒 重 取 出后置 于 干 燥 器 内备 用 采用 Tr i s t a r 3 0 0 0自动吸附仪 Mi c r o me t r i c s 产 品 测 定 AC F样 品 在 7 7 K 下 的 氮 吸 附一 脱 附 等 温 线 得到 AC F比表面积 微孔体积数和孔径分布数 采 用 X S E M3 0扫描 电子 显 微 镜 P h i l i p s产 品 分 析 AC F 的 表 面 形 貌 采 用 J S 一 9 4 G 微 电 泳 仪 测 定 AC F的 Z e t a电位 电化学试验采用 C h i 一 7 6 0电化学 工 作 站 CHI C o 产 品 和 三 电极 系统 AC F为 工 作 电极 饱和甘汞电极为参 比电极 S C E 铂丝为对 电 极 在 5 mmo l L的 F e C N F e C N 电解 质 溶液中测定 电极的电化学 阻抗 开路 电位下频率为 1 O 1 0 一 1 0 1 0 H z 1 2电吸附试 验 将 电吸 附 苯 酚 废 水 注 入 5 O mL且 带 有 循 环 水 的 圆柱 形 套 管 中 通 入 循 环 水 反 应 温 度 为 2 5 AC F 5 2 8 0 5 rag 为 工作 电极 不 锈 钢 为 辅 助 电极 饱 和甘 汞 电极 为参 比电极 S C E 工 作 电极 与 辅助 电极的距离为 0 5 c m 污染物体 积为 4 5 mL 在磁力搅拌作用下 由电化学工作站控制 电吸附电 位为 6 0 0 mV 采 用 Ag i l e n t 8 4 5 3紫 外 一 可 见 分 光 光 度仪 测定 溶液 的紫 外 吸 收 光谱 通 过标 准 曲线 方 法 得到溶液 中的剩余苯酚量 2结果与讨论 2 1 A C F的表 面性 质 3种外 观 相 似 的 AC F表 面性 质 及 电吸 附 数 据 见表 1 把 比表 面积 S 为 7 9 1 1 0 0 3 1 3 1 4 m g 的 3种 AC F分 别 表 示 为 AC 一 8 0 0 AC F 一 1 0 0 0 AC F 一 1 3 0 0 由表 1可 见 AC F 一 1 3 0 0不 仅 S R F 最 大 其 微 孔体 积 数 也 最 大 0 6 2 3 c m g AC F 一 1 0 0 0 AC F 一 8 O O微 孔 体积数 分 别为 0 4 7 5 0 3 7 5 c m g 它 们 的 孔径分布比较一致 都在 2 n m以下 属于微孑 L AC F表面的 Z e t a电位 和官能 团等性质均是影 响电吸附的重要因素 Z e t a电位 可以反映 AC F 表 面酸性 和碱 性含 氧基 团 的相 对 含 量 8 当表 面酸 性 含氧 基 团增 多 时 等 电 点 向 酸性 方 向移 动 反 之 则向碱性方 向移动 由表 1可见 3种 AC F的等 电 点 位 于 p H 7 0的状 态 下 AC F 一 8 0 0 AC F 一 1 0 0 0 AC F 一 1 3 0 0的等 电点 的 p H 分 别 为 2 7 2 5 1 8 这 说 明 3种 AC F 表 面 都 含 有 酸 性 基 团 而 且 随 着 AC F的 S B E 增 大 其 表 面 所 含 酸 性 基 团 增 多 等 电 点 降低 表 1 3种 A C F表面性质及电吸附数据 T a b l e 1 S u r f a c e c h a r a c t e r a n d e l e c t r o c h e mi c a l a d s o r p t i o n d a t a o f t h r e e ki n d s o f ACF 通 过 S E M 对 AC F的微 观 结 构进 行 了观 察 由 于它们的直径以及孔径等完全相 同 只是 S 和微 孔 体 积数有 区别 且 孔 径 基本 分 布 于 2 n m 以下 所 以 3种 AC F的表面 s E M 形 态基本 相似 图 1为 AC F 一 1 3 0 0的 S E M 图 由图 1可 见 AC F由无 数 根 外观基本相似的连续细纤维互相缠绕 重叠而成 堆 积 疏松 图 1 a 且 该 纤 维 由更 细 小 表 面 光 滑 的 圆柱 形纤 维聚集 而成 图 1 b 纤 维横 截 面 没有 可 见孔 洞 图 1 c 这 说 明 AC F的孔径 很小 3 种 AC F的电化学阻抗谱见图 2 由图 2可见 3种 A C F的电化学阻抗谱 图在高频 区均为一个半 圆弧 说 明 AC F与电解液之间存在界面阻抗 从表 1可 以看 出 AC F 一 1 0 0 0 AC F 1 3 0 0具 有 相 近 的 电子 传递 电阻值 分别为 8 0 0 8 8 0 Q 而 AC F 一 8 O 0的电子 传递 电阻值 比较小 仅为 1 2 Q AC F 8 0 0 A C 1 O 0 0 AC F 1 3 0 0表面 的双 电层 电容 量 分别 为 1 5 9 1 O 一 3 0 8 6 1 0 3 6 0 3 1 0 F 其 中比表 面积 最大 的 A C F 1 3 0 0具有最大的电容量和电子传递电阻 而 比 表面积最小 的 A C F 8 0 0的双 电层 电容量和电子传递 电阻也最小 3 种 A C F物理电阻值的变化趋势与电子 传递电阻相同 从小到大分别为 A C F 8 0 0 5 1 a c m ACF 一 1 0 0 0 1 1 4 Q c m ACF 一 1 3 0 0 1 1 7 Q e m 可 见 S 和微 孔体 积 数较 小 的 AC F 一 8 0 0 其 导 电性 能 较好 物 理 电阻 也 较 小 这 是 由于 AC F 一 8 0 0的微 孔 数量少 纤 维的碳原 子链 接程度高 所 以其 电阻值 小 与溶液的界面接触电阻也小 而 AC F 一 1 3 0 0正好 相反 由于 s 唧 大 微孔数多 导致其导电性能下降 电子传递电阻和双电层 电容量变大 因此 比表面积 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 1期 吴梅芬 等 活性碳纤维 的电吸附性 能 1 4 3 有较高的电吸附速率和较大的 电吸附量 这主要是 由于在 电场作用 下 AC F电极 表 面 形 成 了双 电层 电 容 作用 溶 液 中的 苯 酚 分 子发 生 了定 向移 动 并 在 电 极表面聚集 电极表面局 部浓度 的急剧提高使溶液 中的苯酚含量持续下 降 从而达到 了去除污染物的 目的 由于在电场作用下 电极 的电容量 与其 s B E 和 微孔体积数直接关联 因此 AC F 1 3 0 0的 电吸附作 用 最强 AC F 一 1 0 0 0次之 而 AC F 一 8 0 0最 差 采用 A C F 1 3 O 0研究了苯 酚初始浓度变化对 电 吸附效果的影 响 图 5为初 始浓 度 4 0 o 0 1 5 re too l L 的苯 酚溶液在 A C F 1 3 0 0 上 的 电吸附量 随 时间 的变化 曲线 电吸附 电位 6 0 0 m V 电极质 量 5 2 8 0 5 m g p H一 1 2 0 由图 5可 见 溶 液 初 始 浓 度 对 AC F的 电吸附能力有很大的影响 初始浓度越大 其电吸附 量越 大 在 3 0 0 rain时 初 始浓 度为 0 1 5 mmo l I 的 苯酚 溶液 其 电吸 附量仅 为 0 1 4 0 mmo l g 而 当初 始 浓度 提 高 到 4 0 0 mmo l L时 其 电 吸 附量 高 达 2 2 0 0 mmo l g 这 是 由于 初 始 浓 度 越 大 溶 液 中 的 浓度梯度也越大 苯酚 向吸附材料表面转移 的量也 越大 图 5 不同初 始浓 度苯 酚在 A C F 1 3 0 0 上 的电吸附量 随 时间变化 曲线 Fig 5 Va r ia t ion of e l e c t r o c he mic a l a ds or pt io n c ap a c it y wit h t im e on ACF一 1 30 0 a t d if f e r e n t init ia l c o n c e nt r a t io n o f ph e no l 2 3不 同 p H 值与 电 吸附 的相关 性 A C F 1 3 0 0电极在不 同 p H 值介 质 中 的苯酚 去 除 速率见 图 6 电吸 附 电位 6 0 0 mV 电极 质量 5 2 8 0 5 mg 苯 酚 初 始 浓 度 0 1 5 mmo l L 由 图 6可 见 除 p H一2 0的溶 液外 苯 酚 浓 度对 数 in c 与 反应 时 间 t 呈 线 性 关 系 而 且 p H 一 2 0时 AC F l 3 0 0的吸附速率也最小 在 p H 值为 5 0 7 0 9 0 的溶液 中 AC F 1 3 0 0的去 除速 率 常数 分 别 为 1 9 2 1 O 1 9 8 1 0 2 2 8 1 0 min 即 随着 溶 液 p H 值的增加 去除速率常数逐渐递增 但递增 幅度 很小 特别是在 p H值为 5 0 7 0时 二者的去除速 率 常数 基 本一 致 当 p H一1 2 0时 AC F 一 1 3 0 0对 苯 酚的去除速率明显提高 达 4 6 9 1 0 min 是 p H一5 0时 的 2 4倍 可 见 对 于 电 吸 附苯 酚 溶 液 其 p H值对电吸附效果有很大影响 这是 由于苯酚 是一 种 弱 酸性 物 质 2 5 下 的 电离 常 数 k 一 1 2 8 1 0 它不仅可以在水溶液 中发生解离 而且介质 的 p H 值 还会 影 响其在 溶液 中的存在 形式 在 p H一 2 0的溶液 中 由于存在着大量氢离子 使苯酚以分 子 的形式 存 在 而 AC F 一 1 3 0 0表 面 的 正 电 荷 对 苯 酚 分子 无静 电作 用 因此 在 这 种 情 况 下 AC F 一 1 3 0 0对 苯 酚的 去除速 率很 小 在 p H l 2 0的溶 液 中 氢 氧 根离子浓度很高 使苯酚以离子的形式存在 它们在 静 电作用 下快 速 聚集在 带 有 正 电荷 的 AC F 一 1 3 0 0表 面 从 而达 到快 速 去除 污染物 的 目的 由于 p H 值从 5 O 9 0的溶液 碱性 逐渐 增 大 氢 氧 根离 子 浓 度逐 渐上升 使苯酚离子的含量逐渐增大 所 以电吸附速 率 逐 渐增 加 0 图 6 AC F l 3 0 0在不同 p H值介质 中的苯酚吸附速率 ig 6 De p e n d e n c e o f p h e n o l e l e c t r o c h e mic a l a d s o r p t io n r a t e o n r e a c t ion t ime f or ACF l 30 0 in dif f e r e nt pH me d ia 3 结 论 A C F 电极 的 比表 面积 孔 径分 布 和微 孔 体 积数 对 电吸附效 果 有 明显 的影 响 S 和 微 孔 体 积 数 大 的 AC F其 电 吸 附 性 能 较 好 与 传 统 的 吸 附 不 同 AC F的物理 电阻和表面 电化学阻抗对 电吸附去除 苯 酚 的效果 影 响较大 此外 污 染物 的初 始浓 度及 介 质的 p H值也是影响去除速率的因素 AC F不仅可 应 用 于环境 处 理工 程 而且 由 于它 具 有 很 大 的 比表 面积和良好的表面电化学特性 还可将其应用 于混 凝土的增强修补 电化学保护等方面 参 考 文献 r 1 王琳 碳纤 维加固结 构技 术的研 究现状 及展望r I 安徽 建筑 一 1 0 I I 差 一 一 譬 I 1 0 0 口 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 1 4 4 建筑材料学报 第 1 4卷 2 3 2 0 00 5 5 0 W ANG L in Th e p r e s e n t c o n d it io n a n d p r o s p e c t f o r c a r bo n f i b e r s t r e n g t h e n i n g t e c h n o l o g y J An h u i Ar c h it e c t u r e 2 0 0 0 5 5 0 in Ch in e s e 尚守平 彭晖 曾令宏 预应力碳纤维布材加固混凝土梁受 弯性 能非线性分析 J 工程力学 2 0 0 6 2 3 1 1 8 5 9 0 S H ANG Sh o u pi n P ENG Hui Z ENG Ling ho n g No n l ine r a r a n a l ys is o f r e in f o r c e d c o n c r e t e b e a m s t r e n g t he n e d wit h p r e s t r e s s e d c a r b o n f ib e r r e in f o r c e d p l a s t ic s h e e t s u b j e c t t o b e n d in g J E n g in e e r i n g Me c h a n i c s 2 0 0 6 2 3 1 1 8 5 9 0 i n C h i n e s e 侯作富 李卓球 胡胜 良 融雪化冰用碳纤维导电混凝土的电阻 变化特性研究 J 混凝土 2 0 0 4 3 3 4 H 0U Z u o f u LI Z h uo q iu HU Sh e n g l ia n g Re s e a r c h o n de c t r ic a l r e s i s t a n c e v a r ia t io n s o f c a r b o n f ib e r e l e c t r ic a l l y c o n d ue t i v e c o n c r e t e f o r d e i c i n g o r s n o w me l t i n g J C o n c r e t e 2 0 0 4 3 3 4 in Ch in e s e 4 许孝春 蓝文坚 李晓 目 钢渣一 碳纤 维复相导 电混凝土抗 裂性 5 6 7 8 研究 J 孝感学院学报 2 0 0 9 2 9 3 7 8 8 1 XU X ia o c h u n L AN We n j ia n L I Xia o mu S t u d y o n c r a c k r e s is t a n c e o f s t e e l c i n d e r c a r b o n f i b e r c o n d u c t i v e c o n c r e t e J J ou r n a 1 o f Xia o g a n Un iv e r s it y 2 0 0 9 2 9 3 7 8 8 1 in Ch i n e s e CHAI X L HE Y YI NG D W e t a 1 E1 e c t r o s 0 r D t io n e n h a n c e d s o l id p ha s e m ic r o e x t r a e t io n u s ing a c t iv a t e d c a r b o n f ib e r f o r d e t e r mi n a t i o n o f a n i l i n e i n w a t e r J J o u r n a l o f C h r o ma t o g r a p h y A 2 0 0 7 1 1 6 5 卜2 26 3 1 W U S F YANAGI S AWA K NI S HI Z AW A T 4 p o t e n t ia l o n c a r b o n s a n d c a r b i d e s J C a r b o n 2 0 0 1 3 9 1 o 1 5 3 7 1 5 4 1 YOON I H M ENG X G W ANG C e t a 1 Pe r c hl o r a t e a d s o r p t io n a n d d e s o r p t io n o n a c t iv a t e d c a r b o n a n d a n io n e x c h a n ge r e s i n J J o u r n a l o f Ha z a r d o u s Ma t e r i a l s 2 0 0 9 1 6 4 1 8 7 9 4 J UI I EN F BAUDU M MAZ ET M Re l a t io n s h ip b e t we e n c h e m ic a l a n d p hy s ic a l s ur f a c e p r o p e r t ie s o f a c t iv a t e d c a r b o n J Wa t e r R e s e a r c h 1 9 9 8 3 2 1 1 3 4 1 4 3 4 2 4 上接第 1 3 9页 但 是 该测试 结 果 与 实 际工 程 中阻 锈剂 的 阻锈 效 果 存 在差 异 其相 关性需 要 进一步 的研 究 参考 文献 1 2 3 柳俊哲 冯 奇 李玉 顺 亚硝 酸盐对 混凝 土中钢 筋的阻锈 效果 J 硅 酸盐学报 2 0 0 4 3 2 7 8 5 4 8 5 7 LI U J u n z he FENG Qi LI Yu s h u n Nit r it e p r o t e c t in g r e in f o r e in g b a r s i n c o n c r e t e f r o