蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料制備工藝及響應(yīng)面法優(yōu)化

鄭錫瀚， 馬忻狄， 覃佳， 趙宇玲， 藍(lán)麗紅*

1.廣西民族大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，廣西多糖材料與改性重點實驗室，廣西壯族自治區(qū) 南寧市 530006;

2.廣西高?；瘜W(xué)與生物轉(zhuǎn)化過程新技術(shù)重點實驗室，廣西壯族自治區(qū) 南寧市 530006

引 言

海泡石(Sepiolite，Sep)，由金屬陽離子與硅酸根離子結(jié)合而成的含氧硅酸鹽類礦物，其主要理論化學(xué)式為Mg8(Si12O30)(OH)4·12H2O，屬層鏈結(jié)構(gòu)纖維狀含水的鎂硅酸鹽礦物[1]。在掃描電鏡下，天然海泡石以纖維狀存在，內(nèi)部空隙多且大，比表面積較大且吸附性能良好[2-3]，而分子中含有較多的結(jié)晶水，是影響其海泡石吸附容量的重要因素[4]。我國雖有豐富的海泡石礦產(chǎn)，但由于得不到合理的開發(fā)，因此，目前多以原料形式廉價出口[5]。

近年來，在礦物材料表面采用多糖類物質(zhì)碳化法制備多功能復(fù)合型材料的研究，頗受關(guān)注[6-8]。制備此類材料的反應(yīng)條件溫和可控、能耗低、經(jīng)濟(jì)綠色。其中，關(guān)于葡萄糖[9-10]、蔗糖[11-12]、果糖[13]、纖維素[14]、淀粉[15]等生物糖類物質(zhì)的水熱碳化反應(yīng)的研究在國內(nèi)外均有報導(dǎo)。并且根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，生物糖類物質(zhì)在較高溫度和壓力的條件作用下，會脫水生成類似呋喃的分子，之后進(jìn)行聚合和碳化反應(yīng)，最終能夠形成存在多種活性官能團(tuán)(如C—H、C=O和C=C等)的可與礦物材料產(chǎn)生結(jié)合作用的不定性碳化微球[16-17]。因此，利用該原理制備負(fù)載有糖類碳化物的海泡石基復(fù)合材料，從而提高材料的吸附功能，極大拓展了海泡石基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

試驗中，選定廣西產(chǎn)值較大的特色產(chǎn)業(yè)——蔗糖為原料改性劑[18]，海泡石為載體，利用水熱碳化法，制備蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料，并使用真空冷凍干燥器干燥復(fù)合樣品。復(fù)合材料的表征手段選定為X射線衍射分析(XRD)、紅外吸收光譜分析(IR)、掃描電鏡(SEM)、比表面積儀(BET)為材料的主要表征手段。以復(fù)合材料對吸附質(zhì)(亞甲基藍(lán))的吸附量，作為其吸附性能的考察標(biāo)準(zhǔn)，并且利用單因素法和響應(yīng)面法優(yōu)化了材料制備的工藝。旨在開發(fā)出性能優(yōu)良的新型海泡石基材料，能夠提高海泡石附加值的同時，為廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)開辟新的市場。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

試劑：海泡石(阿拉丁試劑)，蔗糖(國藥集團(tuán))，六水合硫酸亞鐵銨(阿拉丁試劑)，亞甲基藍(lán)(Solarbio，含量為98%～103%，MB)，以上試劑均為分析純。

儀器：MAGNA—IR550型傅立葉變換紅外光譜儀(美國尼高力儀器公司，美國)，SUPRA 55 Sapphire場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國卡爾蔡司公司，德國)，Rigaku miniflex 600型X射線衍射儀(日本理學(xué)公司, 日本)，ASAP2460型多站全自動比表面積及孔徑測試系統(tǒng) (BET，美國麥克儀器公司，美國)，TU-1810PC型紫外可見光分光光度計(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司，中國)。

1.2 蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料制備

將2 g海泡石分散于蒸餾水中，添加六水合硫酸亞鐵銨(催化劑)[15]，按比例(蔗糖與海泡石的添加質(zhì)量比)投加蔗糖，加入蒸餾水配置成混合樣品液，最后轉(zhuǎn)移混合樣品于50 mL不銹鋼反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中(試驗過程中保持樣品量占釜內(nèi)體積約為80%，主要為了控制系列反應(yīng)的釜內(nèi)部壓力條件一致)。經(jīng)過充分?jǐn)嚢?0 min之后形成懸浮液，再將懸浮液超聲分散(超聲頻率為40 Hz)30 min，使反應(yīng)體系充分分散混合均勻。于180 ℃下進(jìn)行水熱碳化反應(yīng)8 h，所得樣品使用無水乙醇與蒸餾水交替洗滌，直至肉眼觀察下濾液為無色時，將粗樣品進(jìn)行真空冷凍干燥后，即可得到蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料。

1.2.1 標(biāo)曲繪制

準(zhǔn)確稱取0.1020 g亞甲基藍(lán)，配制得到試驗用的濃度為100 μg/mL的亞甲基藍(lán)原液(蒸餾水為基體溶劑)，分別移取0、0.50、1.25、2.50、3.75、5.00 mL原液進(jìn)行稀釋，即得濃度分別為：0、1.0、2.5、5.0、7.5、10 μg/mL的系列濃度梯度的亞甲基藍(lán)溶液。以蒸餾水作為參比，在662 nm處測定的吸光度，繪出標(biāo)準(zhǔn)曲線。

處理試驗所得數(shù)據(jù)可得，亞甲基藍(lán)吸光度值的標(biāo)準(zhǔn)曲線為：Y=0.2023X+0.0168，R2=0.9998 。

處理試驗所得數(shù)據(jù)可得，亞甲基藍(lán)吸光度值的標(biāo)準(zhǔn)曲線為：Y=0.2023X+0.0168，R2=0.9998 。

1.2.2 吸附試驗操作

準(zhǔn)確移取50 mL亞甲基藍(lán)原液于150 mL的具塞錐形瓶中，復(fù)合材料投加量為0.110 g，室溫條件下振蕩4 h吸附后，于10 000 r/min條件下離心分離后，小心吸取上層清液進(jìn)行吸光度值測定，分別采用公式(1)、(2)進(jìn)行計算吸附量和吸附率：

(1)

(2)

式中，Q為吸附量，mg/g；R為吸附率，%；C0為亞甲基藍(lán)溶液初始濃度，μg/mL；Ct為吸附完全剩余液濃度，μg/mL；V為添加溶液體積，mL；M為復(fù)合材料投加量，g。

1.3 表征手段

將蔗糖進(jìn)行水熱碳化處理，試驗條件與蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料最優(yōu)工藝條件相同，所得蔗糖碳化物，將其表征結(jié)果與天然海泡石、蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料進(jìn)行對比分析。

1.3.1 掃描電鏡(SEM)

試驗樣品干燥后，取少量黏附于導(dǎo)電膠之上，噴鉑，置于SUPRA 55 Sapphire場發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀測樣品形貌，電鏡放大倍率主要為5 K倍和50 K倍。

1.3.2 傅里葉紅外變換光譜分析

采用溴化鉀壓片法取0.001 g 干燥的樣品，與0.05 g干燥的KBr 粉末混合，充分研磨后，轉(zhuǎn)移混合粉末于壓模槽中，在壓片機(jī)中調(diào)節(jié)液壓壓力為7 kPa，將混合粉末壓制成薄片，將壓片放入MAGNA—IR550型傅立葉變換紅外光譜儀，于4 000～500 cm-1波長范圍內(nèi)進(jìn)行掃描測試。分析樣品對紅外吸收特性。

1.3.3 X-射線衍射儀(XRD)

利用Rigaku miniflex 600型X射線衍射儀，操作電壓為40 kV、電流強(qiáng)度為10 mV，2θ掃描范圍為3°～80°。用于分析樣品的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.4 比表面積(BET)

使用ASAP2460型多站全自動比表面積及孔徑測試系統(tǒng)，以N2為吸附氣體，進(jìn)行全孔檢測，脫氣溫度為250 ℃，脫氣時間為7 h。對樣品的比表面積大小和孔徑分布進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗優(yōu)化蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料制備工藝

2.1.1 蔗糖與海泡石質(zhì)量比對復(fù)合材料吸附量的影響

由圖1可見，當(dāng)隨著蔗糖與海泡石質(zhì)量比的提高，復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)的吸附量呈現(xiàn)先增高后下降的趨勢。在質(zhì)量比為1.51.0～3.51.0時，吸附量趨勢表現(xiàn)為增高，是因為蔗糖會水解成果糖和葡萄糖[17]，不斷發(fā)生脫水反應(yīng)，促進(jìn)蔗糖碳化微球生成，海泡石表面所負(fù)載的碳化微球量同樣增加，吸附量隨著提高。當(dāng)質(zhì)量比為3.51.0～4.01.0時，蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)的吸附量呈現(xiàn)降低趨勢，且下降程度逐漸趨于平緩，這是由于反應(yīng)釜中存在過量的蔗糖，影響原料的熱傳導(dǎo)，且脫水后大量團(tuán)聚的蔗糖會占據(jù)大量空間，堵塞海泡石的孔隙，導(dǎo)致吸附量降低；另一方面，隨著蔗糖量投加量的增加，反應(yīng)釜內(nèi)部壓力會發(fā)生改變，從而影響蔗糖的碳化效果，導(dǎo)致碳化微球所攜帶的的活性基團(tuán)減少，影響復(fù)合材料的吸附效果。因此當(dāng)蔗糖和海泡石質(zhì)量比例為3.51.0時最佳，此時吸附值為38.464 mg/g。

圖1 蔗糖與海泡石質(zhì)量比對復(fù)合材料吸附量的影響趨勢曲線

2.1.2 碳化時間對復(fù)合材料吸附量的影響

通過圖2可分析得，材料碳化時間為8 h時，所得樣品在本批試驗樣品中吸附值達(dá)到最大，當(dāng)反應(yīng)時間少于8 h時，試驗體系中材料的碳化反應(yīng)仍未開始或者材料為達(dá)到反應(yīng)的最佳狀態(tài)，導(dǎo)致體系中所生成的活性功能團(tuán)的數(shù)量較少，因此會影響復(fù)合材料的吸附量。而當(dāng)體系反應(yīng)時間過長時，反應(yīng)過程中會產(chǎn)生焦油之類的副作用產(chǎn)物，在高溫條件下，沒有及時分離的副產(chǎn)物更容易被海泡石所吸附，堵塞海泡石孔隙，從而導(dǎo)致復(fù)合材料吸附性能下降。故試驗的最佳碳化時間定為8 h，在該溫度條件下所制樣品測得的吸附值為41.447 mg/g。

圖2 碳化時間對復(fù)合材料吸附量的影響趨勢曲線

2.1.3 碳化溫度對復(fù)合材料吸附量的影響

根據(jù)圖3可見，隨著材料碳化溫度的升高，蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)的吸附量呈現(xiàn)先增高后下降的趨勢?？刂茰囟冗_(dá)到190 ℃～220 ℃的范圍內(nèi)，吸附量趨勢表現(xiàn)為增高，是因為過低的溫度會影響蔗糖的碳化程度，導(dǎo)致蔗糖碳化反應(yīng)不完全，固相產(chǎn)物的碳元素含量下降，影響吸附量；適當(dāng)提高水熱碳化體系溫度，可促進(jìn)蔗糖的水解反應(yīng)和脫水縮合反應(yīng)[19]，加快碳化反應(yīng)速率；并且提升反應(yīng)體系溫度能夠去除海泡石內(nèi)部的結(jié)晶水，從而擴(kuò)大海泡石空容并提高其吸附容量。然而，當(dāng)碳化溫度繼續(xù)提高時，吸附量逐漸減低，是由于溫度過高會導(dǎo)致副反應(yīng)的生成的同時會導(dǎo)致反應(yīng)的最初階段，部分蔗糖被直接水解或降解完全，無法順利完成碳化反應(yīng)，導(dǎo)致蔗糖碳化量下降，從而復(fù)合材料的吸附性能呈現(xiàn)減弱的趨勢。因此， 220 ℃為反應(yīng)的最優(yōu)碳化溫度，所測得的吸附值為43.224 mg/g。

圖3 碳化溫度對復(fù)合材料吸附量的影響趨勢曲線

2.2 響應(yīng)面試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)單因素試驗所得的數(shù)據(jù)作為響應(yīng)面試驗各項條件和因素設(shè)置的基礎(chǔ)。設(shè)定復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)的吸附量(y)為響應(yīng)值，選定蔗糖和海泡石質(zhì)量比(以下稱為質(zhì)量比)為因素A(選定為3.01.0、3.51.0、4.01.0)，碳化時間為因素B(選定為4、8、12 h)，碳化溫度為因素C(選定為210、220、230 ℃)。根據(jù) Box-Benhnken的中心組合實驗設(shè)計原理設(shè)計出了3因素3水平響應(yīng)面試驗，共17組響應(yīng)面試驗方案[20]，組成響應(yīng)面試驗因素水平設(shè)計表如表1所示，最終響應(yīng)面試驗設(shè)計以表2展示。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平設(shè)計表

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及相對應(yīng)響應(yīng)值表

利用Design-Expert軟件分析處理試驗數(shù)據(jù)，得到響應(yīng)面試驗數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果列于表3。通過F檢測進(jìn)行影響顯著性判斷，由P值和F值可以判斷在試驗中各變量對響應(yīng)值影響的顯著性。即在P值<0.01的情況下，可判定該變量對響應(yīng)值的影響極顯著，若P值<0.05，則認(rèn)為該變量對響應(yīng)值的影響顯著，當(dāng)P值>0.05，則影響不顯著。由方差分析表(表3)中的“Model(模型)”和“Lack of Fit(失擬項)”的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，此次響應(yīng)面試驗?zāi)Ｐ偷腇>0.05，P值<0.00 001，失擬項>0.05為不顯著，說明該數(shù)字模型的相關(guān)度好且擬合程度高，可用于試驗優(yōu)化預(yù)測。其中，“Model”、A、B、A2、B2、C2項對響應(yīng)值的影響皆表現(xiàn)為極顯著，C、AB兩項表現(xiàn)為顯著。

表3 響應(yīng)面試驗數(shù)據(jù)方差分析表

得到回歸的響應(yīng)面二次多項式為公式(3)：

Y=43.03+0.093*A+0.066*B-0.038*C+
0.069*A*B+0.021*A*C-0.049*B*C-0.63*A2-
0.28*B2-0.14*C2

(3)

圖4 復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)的吸附量實測值與預(yù)測值對比

圖5至圖7所展示的是各試驗因素3D響應(yīng)曲面圖與等值線圖。在試驗范圍內(nèi)，蔗糖與海泡石的質(zhì)量比(A)、碳化時間(B)及碳化溫度(C)，對響應(yīng)值的影響程度，呈現(xiàn)出大致相同的變化趨勢，即隨著因素水平的提高，吸附量呈現(xiàn)出了先向高水平上移之后再下降的趨勢。通過對圖5的3D響應(yīng)曲面圖與等值線圖分析，發(fā)現(xiàn)蔗糖與海泡石的質(zhì)量比對響應(yīng)值所產(chǎn)生的影響大于碳化時間的影響；對圖6進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)蔗糖與海泡石的質(zhì)量比對響應(yīng)值的影響大于碳化溫度的影響；經(jīng)由圖7，則可發(fā)現(xiàn)碳化時間對響應(yīng)值的影響大于碳化溫度的影響。并且結(jié)合方差分析表F值的大小，說明三個試驗因素對亞甲基藍(lán)的吸附量的影響大小依次為蔗糖與海泡石質(zhì)量比>碳化時間>碳化溫度，各因素對響應(yīng)值(DS)所產(chǎn)生的影響并非呈現(xiàn)簡單的線性關(guān)系。該結(jié)果與單因素試驗相似。

圖7 碳化時間與碳化溫度(BC)間交互作用的3D響應(yīng)曲面圖與等值線圖

圖6 質(zhì)量比與碳化溫度(AC)間交互作用的3D響應(yīng)曲面圖與等值線圖

圖5 質(zhì)量比與碳化時間(AB)間交互作用的3D響應(yīng)曲面圖與等值線圖

綜合以上分析，該模型和二次多項式適合優(yōu)化工藝條件試驗預(yù)測。

經(jīng)由響應(yīng)面試驗結(jié)果所得最優(yōu)制備工藝條件為：蔗糖與海泡石質(zhì)量比為3.51.0；碳化時間為8 h；碳化溫度為220 ℃，預(yù)測最優(yōu)吸附量為43.035 mg/g。進(jìn)行驗證試驗，將結(jié)果列于表4中。

表4 驗證試驗結(jié)果

實測吸附量稍低于預(yù)測值 0.1%，并且綜合此次響應(yīng)面試驗的試驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)該數(shù)學(xué)模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)吸附量的變化，適用于蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料的工藝優(yōu)化試驗。

2.3 材料表征2.3.1 掃描電鏡(SEM)

由圖8a能夠觀測到，天然海泡石在50 K倍電鏡下呈現(xiàn)為疏松多孔的纖維束狀形貌，其表面較為光滑，無形貌明顯的物質(zhì)附著在其表面，且海泡石纖維內(nèi)部空隙較大。圖8b中可以觀察到，蔗糖碳化物在5 K倍電鏡下的形貌為球形，且表面較為光滑，直徑為6～10 μm，少部分的微球出現(xiàn)粘連現(xiàn)象。而從圖8c部分中可以較為明顯地發(fā)現(xiàn)，在海泡石纖維表面變得較為粗糙，且附著有類球形的物質(zhì)，判定為已附著在海泡石表面的蔗糖碳化物；并且碳化微球呈現(xiàn)非均勻分布，直徑普遍變小(約為0.02～0.10 μm)，這是由于海泡石獨特的空間結(jié)構(gòu)和作用力導(dǎo)致。

圖8 三種材料的SEM圖:a天然海泡石(50K倍電鏡下)；b蔗糖碳化物(10K倍電鏡下)；c蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料(50K倍電鏡下)

SEM圖能夠較明顯看出，蔗糖碳化物能夠負(fù)載在海泡石表面。

2.3.2 傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)

通過對比圖9中各組紅外譜線發(fā)現(xiàn)：復(fù)合材料的紅外譜線與天然海泡石的譜線更為相似。同樣的，在3 520～3 009 cm-1之間表現(xiàn)出海泡石內(nèi)部的Si-O結(jié)合水分子的H-O-H以及吸附水分子H-O-H伸縮震動所產(chǎn)生的吸收帶[21]。1 203 cm-1處則存在O-H的彎曲振動峰。在1 075～977 cm-1處是Si-O伸縮振動所導(dǎo)致的特征吸收[22]。

圖9 海泡石(a)、蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料(b)和蔗糖碳化物(c)紅外光譜分析

復(fù)合材料的紅外特征吸收峰分布與天然海泡石的更為相似。同樣的，在3 520～3 009 cm-1之間出現(xiàn)較寬的吸收帶，這是海泡石內(nèi)的Si-O結(jié)合水分子的H-O-H以及吸附水分子H-O-H伸縮震動產(chǎn)生的吸收帶[21]。1 203 cm-1處則存在O-H的彎曲振動峰。在1 075～977 cm-1處表現(xiàn)出的較強(qiáng)的吸收帶是Si-O伸縮振動所導(dǎo)致的[22]。

對比蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料與天然海泡石的紅外譜線，有所區(qū)別之處。復(fù)合材料的譜圖在 2 961～ 2 830 cm-1處和 1 447～1 378 cm-1處分別表現(xiàn)出了飽和羥基的C-H吸收彎曲振動和伸縮振動的吸收。且在1 700 cm-1和1 652 cm-1所出現(xiàn)的兩處吸收峰，分別對應(yīng)C=O和C=C的吸收峰。

再對比蔗糖碳化物的紅外吸收譜圖后發(fā)現(xiàn)，蔗糖碳化物在2 961～2 830 cm-1、1 447～1 378 cm-1、1 700 cm-1和1 652 cm-1處均有特征吸收表現(xiàn)，因此說明，蔗糖碳化物復(fù)合材料同時表現(xiàn)出天然海泡石和蔗糖碳化物的特征吸收區(qū)域。

2.3.3 X射線衍射儀(XRD)

由圖10可知，與海泡石的XRD譜圖相比較，蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料的XRD譜線中所表現(xiàn)出的峰的強(qiáng)度略有降低；除此之外，在材料復(fù)合前后，材料的晶型基本無改變，同時也無出現(xiàn)峰位置出現(xiàn)偏移等明顯變化。而蔗糖碳化物的譜線在10°～30°之間形成明顯的無定型碳的寬化衍射峰；通過與蔗糖碳化物的譜線，則能夠發(fā)現(xiàn)在蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料譜圖中無形成無定形碳的寬化衍射峰。綜上可得，復(fù)合材料的晶型不受是否負(fù)載碳化物的影響而出現(xiàn)明顯的變化。

圖10 海泡石、蔗糖碳化物、蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料的XRD譜圖

2.3.4 比表面積儀(BET)

由圖11可以看出，海泡石與蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料的N2吸附—脫附等溫線皆屬于含有滯后環(huán)的Ⅳ型吸脫附等溫線，可根據(jù)脫附曲線來算出孔徑分布。因此，對于本試驗材料的BET數(shù)據(jù)，是通過利用BET法算得各種材料的比表面積，利用BJH法求得孔徑。最終計算得到：海泡石的比表面積為181.5825 m2/g， 蔗糖碳化物/海泡石海泡石復(fù)合材料的比表面積為63.9356 m2/g，在材料復(fù)合前后，比表面積明顯變小，而這符合隨著負(fù)載量的增加而比表面積逐漸變小的趨勢。根據(jù)圖12的孔徑分布情況，得到海泡石與蔗糖碳化物/海泡石海泡石復(fù)合材料的孔徑大致發(fā)布在10～45 nm之間，利用 BJH 法計算得到復(fù)合材料的平均孔徑為17.5130 nm。

圖11 海泡石與蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料的N2吸附-脫附等溫線

圖12 海泡石與蔗糖碳化物/海泡石海泡石復(fù)合材料的孔徑分布情況

2.4 復(fù)合材料吸附性能對比

經(jīng)響應(yīng)面法確定蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料最優(yōu)吸附量及去除率為42.983 mg/g，其吸附率為98.9%對比生物糖類改性海泡石材料的相關(guān)研究，復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)的吸附效果優(yōu)于 Marrakchi F等[23]優(yōu)化的材料吸附量40.986 mg/g，以及邢新艷等[24]材料吸附率97.2%。同時，對比改性海泡石相關(guān)研究，也是優(yōu)于Wang等[25]優(yōu)化材料對亞甲基藍(lán)的吸附量41 mg/g，Liu等[26]所優(yōu)化材料的吸附率97.8%，以及Li等[27]的優(yōu)化材料去除率93.3%。

3 結(jié)論

(1)本試驗成功制備出蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料。通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，在海泡石纖維的表面有均勻的碳化微球非均勻分布，直徑約為0.02～0.10 μm；紅外光譜圖對照表明，在蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料表面存在有飽和羥基的C-H、C=O和C=C雙鍵的存在；XRD圖譜表明，在復(fù)合前后，海泡石的晶型不發(fā)生改變；BET數(shù)據(jù)分析表明，與天然海泡石相比，蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料的比表面積變化符合隨著負(fù)載量的增加而比表面積逐漸變小的趨勢。因此，綜合說明，蔗糖碳化物成功負(fù)載于海泡石表面。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料的比表面積明顯小于海泡石的比表面積，但復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)的吸附能力明顯高于海泡石，說明了蔗糖碳化物負(fù)載在海泡石表面后，所引入的C-H、C=O和C=C等活性有機(jī)官能團(tuán)，具有增強(qiáng)了復(fù)合材料吸附能力的作用。

(2)采用響應(yīng)面法確定蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料工藝最優(yōu)工藝條件為：蔗糖與海泡石質(zhì)量比為3.51.0、碳化時間為8 h；碳化溫度為220 ℃，最優(yōu)吸附量為42.983 mg/g，其吸附率為98.9%，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)的吸附效果優(yōu)于現(xiàn)有的文獻(xiàn)報導(dǎo)值。

(3)蔗糖碳化物/海泡石復(fù)合材料的優(yōu)點在于，材料制備過程簡便，且相對于利用有機(jī)和無機(jī)試劑對海泡石進(jìn)行改性研究而言，以糖類物質(zhì)(生物質(zhì))為改性劑進(jìn)行試驗所造成二次污染的可能性更低。并且關(guān)于利用水熱碳化法制備生物糖類與海泡石復(fù)合材料的研究極少，本研究可為礦石和生物糖類的深加工及應(yīng)用提供試驗依據(jù)和較好的技術(shù)指導(dǎo)。