納米氧化鋁溶膠在棉織物上的吸附模型

胡曉霞，杜英英，潘成玉，邢彥軍

(1.東華大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620;2.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 201114)

納米氧化鋁溶膠在棉織物上的吸附模型

胡曉霞1，杜英英2，潘成玉1，邢彥軍1

(1.東華大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620;2.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 201114)

使用以硝酸鋁為母體制備的納米氧化鋁溶膠對(duì)棉織物進(jìn)行整理。通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)對(duì)不同鋁含量溶膠處理棉織物的鋁含量進(jìn)行測(cè)定，并分別采用Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型對(duì)納米氧化鋁溶膠在棉織物上的吸附模型進(jìn)行研究。模擬結(jié)果表明，氧化鋁溶膠在棉織物上的吸附同時(shí)符合Langmuir和 Freundlich吸附模型。在 Langmuir吸附等溫方程中，最大吸附量為126.19 mg/g，吸附系數(shù)為4.23×10－3L/g，相關(guān)系數(shù)為0.9972。在Freundlich等溫吸附模型中，吸附系數(shù)為0.64，常數(shù)為1.095，相關(guān)系數(shù)為0.9978。Langmuir模型的相關(guān)系數(shù)低于Freundlich模型，表明氧化鋁在棉織物上的吸附更適合用Freundlich吸附模型描述，說明納米氧化鋁在棉織物上的吸附以氫鍵和范德華力結(jié)合為主。

納米鋁溶膠;棉織物;吸附模型;相關(guān)系數(shù)

溶膠已被應(yīng)用于染料的抗菌［1－2］、拒水［3－5］和抗紫外線整理［6］等方面。納米氧化鋁溶膠的應(yīng)用極為廣泛，主要用于制備載體、多孔膜和隔熱層材料以及各種耐火材料的粘結(jié)劑。在涂層、膜結(jié)構(gòu)、載體等的制備過程中，由于它們對(duì)鋁溶膠的濃度要求都不高，而且不考慮其結(jié)合強(qiáng)度，主要考慮氧化鋁膜的致密性和均勻性，因此納米氧化鋁溶膠能在這些領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，是無機(jī)材料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)［7－9］。

研究織物對(duì)納米氧化鋁溶膠的吸附可幫助了解織物結(jié)構(gòu)與納米溶膠之間的作用，揭示吸附方式與功能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)［10］，對(duì)進(jìn)一步研究溶膠-凝膠法對(duì)織物的功能整理將具有很大的幫助，因此，本文對(duì)納米氧化鋁溶膠在棉織物上的吸附模型進(jìn)行了研究，建立了平衡吸附量預(yù)測(cè)模型，為今后的實(shí)驗(yàn)室研究以及工廠生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣與試劑

織物:純棉織物(29.53 tex×36.91 tex，503.94根/10cm×263.22根/10cm)，經(jīng)過退、煮、漂、絲光處理(上海華綸印染有限公司)。

藥品:硝酸(65% ～68%，分析純，平湖化工試劑廠);九水硝酸鋁(分析純)、氨水(25% ～28%，分析純)均由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供。

1.2 儀器與設(shè)備

YL8023B1化學(xué)實(shí)驗(yàn)控溫微波儀(上海亞聯(lián)微波科技有限公司);TE412-L電子天平(上海志威電器有限公司);S82-1磁力攪拌器(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司);Prodigy電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP，美國(guó)瓦里安公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 納米氧化鋁溶膠的制備

60℃恒溫磁力攪拌下，在一定濃度的硝酸鋁溶液中逐滴緩慢地滴加氨水，直至pH值為9.0～9.5，反應(yīng)得到白色黏稠狀的物質(zhì)，經(jīng)過抽濾、洗滌，40～60℃下干燥后得到白色固體;然后向白色固體的水溶液中滴加硝酸，調(diào)節(jié)pH值為3.5～4.5，并微波加熱回流1 h，得到澄清透明的納米氧化鋁溶膠。

1.3.2 納米氧化鋁溶膠在棉織物上的吸附

將織物在納米氧化鋁溶膠中浸漬1 h，然后在80℃下預(yù)烘8 min，170℃下焙烘2 min。采用美國(guó)瓦里安公司的電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICPAES)測(cè)定織物上Al元素含量。

1.3.3 吸附模型的確立

吸附實(shí)驗(yàn)均在室溫下完成，采用等溫條件下吸附量與吸附質(zhì)量濃度之間關(guān)系的吸附等溫線表示平衡吸附量 Qe［11－13］，采用 Langmuir 和 Freundlich 吸附模型對(duì)附量Qe進(jìn)行模擬分析。

1.3.3.1 Langmuir吸附模型 本文采用的Langmuir模型為簡(jiǎn)化模型，主要進(jìn)行如下假設(shè):1)納米氧化鋁溶膠在織物上的吸附為單分子定域可逆吸附;2)實(shí)驗(yàn)使用的棉織物為表面均勻的基質(zhì)，對(duì)氧化鋁溶膠均勻吸附;3)微波輔助法制備得到的氧化鋁溶膠表面均勻，和棉織物表面吸附位點(diǎn)之間的作用均一，氧化鋁溶膠之間無相互作用。

Langmuir吸附方程為

式中:Qe為平衡吸附量，mg/g;Vm為吸附劑處于飽和狀態(tài)時(shí)的最大吸附量，mg/g;Ce為吸附平衡時(shí)溶液中吸附質(zhì)的質(zhì)量濃度，g/L;KL為吸附平衡系數(shù)，L/g，代表吸附能力的強(qiáng)弱，與吸附質(zhì)的本性及溫度有關(guān)。

1.3.3.2 Freundlich吸附模型 采用Freundlich模型時(shí)進(jìn)行如下假設(shè):1)納米氧化鋁溶膠在織物上的吸附為單分子定域可逆吸附;2)納米氧化鋁溶膠之間的相互作用只發(fā)生在鄰近分子之間。

Freundlich方程為

式中:KF為Freundlich吸附系數(shù)，與吸附質(zhì)的性質(zhì)和吸附條件有關(guān);n為Freundlich常數(shù)。

1.3.3.3 優(yōu)化算法 采用最小二乘擬合中的麥夸特(Levenberg-Marquardt)算法，并通用全局優(yōu)化法(universal global optimization)進(jìn)行優(yōu)化。

2 結(jié)果與討論

為研究納米氧化鋁溶膠在棉織物上的吸附模型，本文采用ICP測(cè)定浸軋納米氧化鋁溶膠后棉織物上的Al含量作為平衡吸附量Qe(見表1)。由于整理時(shí)鋁溶膠中鋁含量是過量的，吸附到織物上的鋁元素含量相比較之下很小，可忽略不計(jì)，所以Ce的大小近似等于C0的值。

2.1 Langmuir非線性擬合

研究表明，若要了解吸附數(shù)據(jù)是否符合Langmuir等溫式，應(yīng)該用Langmuir方程的曲線形式(非線性方程，見式(1))對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合［14－15］。根據(jù)式(1)對(duì)表 1 中的 Qe和 Ce數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，判斷棉織物對(duì)納米氧化鋁溶膠的吸附是否符合Langmuir吸附模型，結(jié)果如圖1所示。

表1 不同初始濃度下的平衡吸附量與吸附平衡濃度Tab.1 Equilibrium adsorption capacity and adsorption equilibrium concentration at different initial alumina concentrations

圖1 納米氧化鋁溶膠在棉織物上吸附的Langmuir非線性擬合Fig.1 Langmuir model description for sorption of nano Al2O3sol on cotton fabric simulated by non-liner fit

模擬結(jié)果表明，棉織物對(duì)納米氧化鋁溶膠的吸附符合Langmuir吸附模型，屬于單分子層吸附。棉織物對(duì)納米氧化鋁溶膠的最大吸附量 Vm為126.19 mg/g，吸附系數(shù) KL為 4.23 ×10－3L/g，相關(guān)系數(shù)RL=0.9972(RL2=0.9944)。吸附的Langmuir方程為

2.2 Freundlich非線性擬合

由于棉織物表面實(shí)際是不均勻的，在吸附過程中會(huì)形成不同類型的活性中心，而這些活性中心對(duì)氧化鋁溶膠的吸附作用是不同的。同時(shí)，納米氧化鋁溶膠由于表面能的關(guān)系，相互之間也存在一定的作用力，因此，采用Langmuir吸附模型對(duì)吸附過程進(jìn)行描述會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。

由于Freundlich吸附方程能描述稀釋水溶液在不均勻表面條件下的吸附過程，因此也適用于較低濃度下溶膠的吸附。同時(shí)，F(xiàn)reundlich吸附方程也能夠考慮吸附分子間的相互作用［16］，因此本文還采用Freundlich非線性方程(式(2))對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，擬合曲線如圖2所示。

圖2 納米氧化鋁溶膠在棉織物上吸附的Freundlich非線性擬合Fig.2 Freundlich model description for sorption of nano Al2O3sol on cotton fabric simulated by non-liner fit

模擬結(jié)果表明，棉織物對(duì)納米氧化鋁的吸附同樣符合Freundlich吸附模型。Freundlich吸附系數(shù)KF=0.64，n=1.095，相關(guān)系數(shù) RF=0.9978(RF2=0.9956)，其方程可表示為

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，棉織物對(duì)氧化鋁的吸附既可使用Langmuir吸附等溫方程來描述，也可使用Freundlich吸附等溫方程式來描述。但從數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，采用Freundlich進(jìn)行擬合的相關(guān)性更好。同時(shí)，由于棉織物表面實(shí)際是不均勻的，且納米氧化鋁間也存在一定的作用力，采用Freundlich熱力學(xué)吸附模型描述氧化鋁在棉纖維上的吸附更為適合。這一結(jié)果說明氧化鋁在纖維素纖維上的吸附以氫鍵和范德華力結(jié)合為主。

3 結(jié)論

本文對(duì)納米氧化鋁溶膠在棉織物上的吸附模型進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:Langmuir等溫吸附方程中最大吸附量為126.19 mg/g;Freundlich等溫吸附方程中吸附系數(shù)為0.64。采用Freundlich等溫吸附模型處理納米氧化鋁溶膠在棉織物上的吸附具有較好的相關(guān)性。

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Adsorption kinetics of nano alumina sol on cotton fabrics

HU Xiaoxia1，DU Yingying2，PAN Chengyu1，XING Yanjun1
(1.Key Laboratory of Science ＆ Technology of Eco-Textile，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai201620，China;2.Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research，Shanghai201114，China)

Cotton fabric was treated with nano alumina sol with Al(NO3)3as precursor.The content of alumina sol on cotton fabric was determined by ICP.The kinetics adsorption of nano alumina sol on cotton fabric was simulated with Langmuir and Freundlich adsorption models.The simulation showed that the alumina adsorption of cotton fabric matches Langmuir and Freundlich adsorption isotherms equation well.For Langmuir adsorption model，the adsorption of nano alumina sol on cotton fabric belongs to monolayer chemical adsorption with the maximum adsorption capacity 126.19 mg/g，adsorption coefficient 4.23 ×10－3L/g and correlation coefficient 0.9972.For Freundlich adsorption model，adsorption coefficient is 0.64 with constant 1.095 and correlation coefficient 0.9978.The bigger correlation coefficient on Freundlich model indicates that the alumina sol adsorption of cotton fabric better matches Freundlich adsorption isotherms equation.It suggests that the hydrogen bond and van der Waals force are the main interaction between alumina and cotton fabric.

nano alumina sol;cotton fabric;adsorption model;correlation coefficient

TS 195.5

A

10.13475/j.fzxb.20140503004

2014－05－17

2014－12－09

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2232013A3－05，CUSF-DH-D-2014036)

胡曉霞(1987—)，女，博士生。研究方向?yàn)楣δ芸椢锱c光催化材料。邢彥軍，通信作者，E-mail:yjxing@dhu.edu.cn。