KOH改性石墨烯對甲苯的吸附動力學(xué)及吸附機(jī)制

劉 芳, 李 孟, 李雨薇, 齊學(xué)進(jìn), 李 煒, 趙朝成, 韓豐磊

(1.中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.石油石化污染物控制與處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)

揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)來源廣泛,可增強(qiáng)溫室效應(yīng)、參與光化學(xué)反應(yīng)[1]、破壞臭氧層[2]、綠植、損害材料;此外產(chǎn)生的煙霧具有惡臭,可引起呼吸道疾病[3]、損害神經(jīng)系統(tǒng)、致癌、致死。即使在低濃度下,對環(huán)境和人體亦有威脅[4]?，F(xiàn)有VOCs處理法主要為傳統(tǒng)的吸附法、光催化法、催化燃燒法以及新型的生物膜法、低溫等離子體技術(shù)等[5-7]。在眾多方法中,吸附法被認(rèn)為是一種成熟、有效的VOCs去除方法。目前活性炭、分子篩、活性炭纖維、石墨烯、氧化石墨烯(GO)、碳納米管(CNT)以及金屬有機(jī)骨架(MOF)等多孔材料被用作VOCs吸附劑,其中活性炭因其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、高比表面積被廣泛應(yīng)用,但具有易燃、適用范圍小等缺點(diǎn)。此外,其他材料亦存在諸多限制,如分子篩孔隙率低、吸附性能有限;MOF水穩(wěn)定性能差[8]、選擇吸附性低,均會造成二次污染。石墨烯(GE)具有高比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、表面富含官能團(tuán)、高吸附性能、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),王洪喜等[9]以氧化石墨還原法制備的石墨烯吸附甲苯,在25 ℃、甲苯氣速200 mL/min、床層高達(dá)10 mm條件下,甲苯飽和吸附率為100×10-3,且吸附過程符合假二級動力學(xué)模型和Freundlich模型。Kim等[10]通過實(shí)驗(yàn)證明改性石墨烯比表面積增加,可歸因于KOH活化、微波輻射協(xié)同熱處理,使得石墨烯表面氫鍵斷裂;且發(fā)現(xiàn)高吸附性主要因甲苯中苯環(huán)和石墨烯之間的π-π鍵作用。Guo等[11]以獨(dú)立式多孔碳納米纖維為基體,通過靜電紡絲和蒸汽活化法制備了GO/C復(fù)合納米纖維,發(fā)現(xiàn)GO的嵌入增加了材料的介孔含量和高表面氧含量,且在20 ℃下GO/C對苯、丁酮具有高吸附容量,GO的引入提高了納米纖維對極性VOC的吸附能力。Zhou等[12]以甲醇為溶劑制備ZIF-8/GO材料吸附二氯甲烷,發(fā)現(xiàn)二氯甲烷的吸附率與GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),最高吸附率為240×10-3;分析表明,高吸附性能除受孔道吸附外,還歸因于ZIF-8和GO的協(xié)同作用、GO與二氯甲烷之間的強(qiáng)相互作用。堿處理能增加石墨烯比表面積,產(chǎn)生更多的孔道結(jié)構(gòu),并減少—OH自由基的含量,提供更多的吸附活性位點(diǎn)。這可能是由于堿性基團(tuán)促進(jìn)吸附、酸性基團(tuán)抑制吸附相似[13-14]。筆者以改進(jìn)Hummers法制備石墨烯,再經(jīng)超聲輔助KOH浸漬法制備改性石墨烯,進(jìn)一步考察不同KOH濃度、溫度、超聲時(shí)間等因素對甲苯的吸附性能,考察其吸附動力學(xué)和吸附機(jī)制。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及試劑

所有試劑均為分析純(AR)。甲苯、鹽酸、濃硫酸,購于西隴化工有限公司;石墨粉、無水乙醇、氫氧化鉀、氫氧化鈉、硝酸鈉、雙氧水等,購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;甲脒亞磺酸,購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司;高錳酸鉀,購于煙臺三和化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為甲苯吸附實(shí)驗(yàn)裝置。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在通風(fēng)櫥中進(jìn)行。氣態(tài)甲苯由空氣鼓泡法產(chǎn)生,并經(jīng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子流量計(jì)分流控制甲苯、空氣流量來改變甲苯濃度。所有連接口均采用硅膠管連接以保證氣密性;設(shè)置緩沖瓶用以均勻混合甲苯和空氣并進(jìn)行干燥。為防止甲苯進(jìn)入空氣污染環(huán)境,設(shè)置尾氣處理裝置,用無水乙醇吸附廢氣。

圖1 甲苯氣體吸附裝置Fig.1 Toluene gas adsorption equipment

1.3 石墨烯的制備

首先,制備氧化石墨烯GO。低溫氧化:取2 g石墨粉和1 g NaNO3于1 000 mL燒杯中混勻,然后緩慢加入100 mL濃H2SO4,將燒杯放入4 ℃冰浴的恒溫磁力攪拌器攪拌30 min,再均勻且緩慢地加入10 g KMnO4,繼續(xù)攪拌2 h,使其混合均勻。為保證4 ℃的低溫冰浴,整個(gè)過程需不斷加冰。中溫氧化:將上步反應(yīng)結(jié)束的1 000 mL燒杯,移入至提前預(yù)熱到35 ℃的恒溫水浴中,繼續(xù)攪拌1.5 h。高溫氧化:將35 ℃的100 mL蒸餾水連續(xù)緩慢加入大燒杯中,移入提前預(yù)熱至98 ℃的高溫水浴中,攪拌10 min;攪拌結(jié)束后,緩慢連續(xù)加入50 ℃的500 mL蒸餾水再加入適量30% H2O2,以去除過量KMnO4;冷卻靜置過夜,先后用的5% HCl、蒸餾水清洗至中性、冷凍干燥3～4 d,即可得GO濾餅。

其次,還原制備石墨烯(GE)。取0.5 g GO溶于300 mL蒸餾水,超聲分散2 h,得到GO懸浮液;再依次加入6 g NaOH與2.5 g甲脒亞磺酸,95 ℃水浴攪拌6 h;抽濾后,先后用乙醇與水洗滌濾餅;經(jīng)冷凍干燥,研磨可得石墨烯粉末。

1.4 改性石墨烯的制備

采用KOH溶液來制備改性石墨烯(MGE)。稱取16.83 g KOH于100 mL小燒杯中,加入50 mL蒸餾水,攪拌至完全溶解。再加入0.3 g石墨烯粉末,攪拌均勻后,超聲分散3 h;過濾溶液并洗滌至中性,將濾餅于100 ℃下真空干燥12 h,充分研磨得KOH改性石墨烯材料。

為考察KOH單因素改性石墨烯影響因素,設(shè)置4個(gè)影響條件分別考察:①控制溫度為25 ℃,超聲時(shí)間為3 h,KOH濃度分別為2、4、6、8、10 mol/L;②控制溫度為25 ℃,KOH濃度為6 mol/L,超聲時(shí)間分別為1、1.5、2、2.5、3 h;③控制超聲時(shí)間為3 h,KOH濃度為6 mol/L,改性溫度分別為25、50、75 ℃。

上述制備石墨烯、KOH改性石墨烯流程如圖2所示。

圖2 KOH改性石墨烯制備過程Fig.2 Preparation of KOH modified graphene

1.5 甲苯采集方法

采用圖1裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前,儀器先空運(yùn)行1.5～2 h,待裝置穩(wěn)定后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每次采樣100 mL,將100 mL玻璃注射器管口處連接活性炭采樣管接于采樣口處取樣;頻率為30 min時(shí)內(nèi)每隔10 min采一次樣品,之后每隔20 min采樣;空白樣品在空白采樣口處取樣。

1.6 甲苯濃度測定

通過CS2解析法和氣相色譜法測定甲苯濃度:采樣管內(nèi)活性炭先用1 mL CS2解吸1 h,再取2 μL注入氣相色譜儀的檢測。氣相色譜操作條件為:載氣、燃燒氣、助燃?xì)夥謩e為N2(純度為99.999%)、H2(純度為99.99%)和凈化后空氣;氫火焰離子化檢測器(FID)作檢測器:吸附柱、進(jìn)樣口、檢測器溫度分別為120、150、200 ℃。

1.7 材料表征

使用JEM-2100UHR 型TEM在200 kV的加速電壓下觀察GO、石墨烯、MGE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

采用美國Thermo Nicolet公司的NEXUS FT-IR對GO、石墨烯、MGE表面基團(tuán)進(jìn)行表征。

采用帕納科銳影XRD儀對石墨、GO、石墨烯及MGE的內(nèi)部成分進(jìn)行表征。

采用ASAP2020-M比表面分析儀測定GO、石墨烯、MGE的比表面積及孔徑分布。樣品測試前應(yīng)先于523 K條件下真空脫氣至少12 h,再進(jìn)行測定;比表面積、孔徑和孔容分別根據(jù)BET法-BJH模型進(jìn)行計(jì)算。

2 表征結(jié)果及分析

2.1 TEM表征

圖3為GO、GE、MGE的TEM照片。由圖3(a)可知,GO被H2SO4氧化致使表面不平整,有較多溝壑,且GO內(nèi)厚外薄,透明度不同表明GO層數(shù)并非單層;此外,GO中存在褶皺形貌能降低GO表面能。由圖3(b)可知,GE成片狀結(jié)構(gòu),表面褶皺較GO少,無團(tuán)聚現(xiàn)象,表明還原過程較為成功。由圖3(c)可知,MGE仍為片狀結(jié)構(gòu)、表面明顯光滑,但因KOH刻蝕效果,在表面出現(xiàn)較多溝壑;此外,其邊緣處明顯比改性前變薄,層數(shù)也有所降低。溝壑和褶皺的存在,表明其上存在更多的潛在吸附位點(diǎn),且MGE表明更為平坦,說明其分散性優(yōu)于石墨烯,會有較高的吸附性能[15]。

圖3 氧化石墨烯、石墨烯、改性石墨烯的TEM圖Fig.3 TEM images of GO, GE and MGE

2.2 FT-IR表征

圖4 氧化石墨烯、石墨烯和改性石墨烯的紅外光譜圖Fig.4 FT-IR patterns of GO, GE and MGE

2.3 XRD表征

圖5為石墨、GO、石墨烯、MGE的XRD圖譜。由圖5(a)可知,石墨(002)面衍射特征峰出現(xiàn)在約2θ=26°處,該衍射峰強(qiáng)且尖銳;而圖5(b)中GO的較強(qiáng)衍射峰出現(xiàn)在2θ=11°,此衍射峰屬石墨的(001)面衍射峰,該衍射峰的出現(xiàn)表明因氧化作用產(chǎn)生的“插層效應(yīng)”,增大了石墨層間距,破壞了石墨原有晶型,生成GO晶體結(jié)構(gòu)[9]。圖5(c)所示的石墨烯特征峰出現(xiàn)在2θ=25°處,與圖5(a)所示的衍射峰位置相近,但該峰強(qiáng)變寬、變?nèi)?表明還原作用可縮小石墨層間距,在破壞其原有晶體結(jié)構(gòu)的同時(shí)增加無序性。此外,由圖5(d)可知,MGE的衍射峰與石墨烯基本一致,峰強(qiáng)、峰型無明顯變化,表明KOH未破壞石墨烯的晶體結(jié)構(gòu);這與文獻(xiàn)中所描述相似,KOH起刻蝕、擴(kuò)孔作用[19]。

圖5 石墨、氧化石墨烯、石墨烯和改性石墨烯的XRD圖Fig.5 XRD patterns of Graphite, GO, GE and MGE

2.4 BET表征

圖6 石墨烯和改性石墨烯的N2吸附-脫附等溫線及孔徑分布Fig.6 N2 adsorption-desorption isotherms and pore size distribution of GE and MGE

表1 石墨烯和改性石墨烯的BET數(shù)據(jù)Table 1 BET data for GE and MGE

3 MGE吸附甲苯性能

3.1 KOH濃度對MGE吸附性能的影響

為考察KOH濃度對MGE吸附甲苯性能的影響,以不同濃度的KOH溶液對石墨烯進(jìn)行改性處理。圖7為在實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃、吸附劑質(zhì)量為0.3 g、甲苯初始質(zhì)量濃度為1 300 mg/m3下測得的5個(gè)不同KOH濃度梯度(2、4、6、8、10 mol/L)對MGE吸附甲苯性能曲線。表2列出了該條件下的MGE吸附甲苯的穿透時(shí)間、飽和吸附率及平衡時(shí)間。

圖7 不同KOH濃度甲苯吸附曲線Fig.7 Toluene adsorption curve of different KOH concentration

由圖7可知,5條甲苯吸附曲線趨勢相似,均從平穩(wěn)狀態(tài)達(dá)到某點(diǎn)后吸附速率驟增,接著緩慢升高直至平緩到達(dá)了飽和吸附狀態(tài)。從表2可以看出,隨著KOH濃度的增加,MGE吸附甲苯的穿透時(shí)間、飽和時(shí)間及飽和吸附率均呈先增后減趨勢,可歸因于KOH濃度偏低時(shí),氧化作用為主導(dǎo),去除了殘存H2O分子,在增強(qiáng)疏水相互作用的同時(shí)提高了吸附性能,而在較高濃度的KOH處理下,刻蝕占主導(dǎo)作用,提高了石墨烯的介孔含量,但大孔孔徑和孔容亦隨KOH濃度的增大而增加,甚至出現(xiàn)孔壁坍塌現(xiàn)象,抑制吸附過程。

表2 不同KOH濃度甲苯吸附性能參數(shù)Table 2 Toluene adsorption properties of different KOH concentration

3.2 超聲時(shí)間對MGE吸附性能的影響

為考察超聲時(shí)間對MGE吸附性能的影響,以不同的超聲時(shí)間(KOH濃度為6 mol/L,超聲溫度為25 ℃)處理石墨烯。圖8是在實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃、吸附劑質(zhì)量為0.3 g、甲苯初始質(zhì)量濃度為1 300 mg/m3條件下測得的5個(gè)不同超聲時(shí)間(1、1.5、2、2.5、3 h)對MGE吸附甲苯性能曲線。表3列出了該條件下的MGE吸附甲苯的穿透時(shí)間、飽和吸附率及平衡時(shí)間。

圖8 不同超聲時(shí)間甲苯吸附曲線Fig.8 Toluene adsorption curve of different ultrasonic times

表3 不同超聲時(shí)間甲苯吸附性能參數(shù)Table 3 Toluene adsorption properties of different ultrasonic times

從圖8可知,5條吸附曲線的上升趨勢相似。吸附初期,先平緩上升,到某點(diǎn)后吸附速度加快,最終緩慢吸附至飽和。從表3看出,隨著超聲時(shí)間的增加,改性石墨烯吸附甲苯的穿透時(shí)間、飽和時(shí)間以及平衡吸附率都是呈增加的趨勢。主要原因可能是KOH與石墨烯接觸與碰撞機(jī)率隨超聲時(shí)間的增加而增大,在石墨烯表面新增加了微孔、介孔含量,有利于吸附進(jìn)行。

3.3 改性溫度對MGE吸附性能的影響

為考察改性溫度對MGE吸附性能的影響,以不同改性溫度(KOH濃度為6 mol/L,改性時(shí)間為3 h)處理石墨烯。圖9是在實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃、吸附劑質(zhì)量為0.3 g、甲苯初始質(zhì)量濃度為1 300 mg/m3條件下測得的3個(gè)不同改性溫度(25、50、75 ℃)對MGE吸附甲苯性能曲線。表4列出了在此條件下的穿透時(shí)間、飽和時(shí)間及平衡吸附率。

由圖9可知,隨著改性溫度增加,3條吸附曲線趨勢相似,吸附速度均先加快,后趨于飽和。從表4可知,穿透時(shí)間、飽和時(shí)間及平衡吸附率隨著改性溫度的提高而增加,是因隨溫度的增加,分子運(yùn)動加劇,KOH與石墨烯接觸機(jī)率增加,氧化、刻蝕效果增強(qiáng),除可減少殘存H2O分子外,還能增加石墨烯的介孔含量。

圖9 不同改性溫度甲苯吸附曲線Fig.9 Toluene adsorption curve of different modification temperatures

表4 不同改性溫度甲苯吸附性能參數(shù)Table 4 Toluene adsorption properties of different modification temperature

3.4 吸附動力學(xué)

采用準(zhǔn)一級動力學(xué)、準(zhǔn)二級動力學(xué)模型和顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型對動力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,以更好地解釋MGE對甲苯的吸附過程。其實(shí)驗(yàn)條件:甲苯初始濃度為1 300 mg/m3,實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃、吸附劑質(zhì)量為0.3 g。

準(zhǔn)一級模型多用來描述物理吸附過程,其動力學(xué)方程形式[9,24]為

綜上所述，優(yōu)化基于B/S架構(gòu)的高校人力資源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，必須設(shè)計(jì)完善的管理平臺，細(xì)化人力資源培訓(xùn)工作，不斷健全數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

ln(qe-qt)=lnqe-k1t;

準(zhǔn)二級模型主要用于描述物理和復(fù)雜的化學(xué)吸附過程,其動力學(xué)方程形式[24]為

式中,qe和qt分別為平衡時(shí)和t時(shí)刻下的吸附率,10-3;k1為準(zhǔn)一級吸附速率常數(shù),min-1;k2為準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)速率常數(shù),g/(mg·min)。擬合參數(shù)見表5。

顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型的動力學(xué)方程式[25-26]為

qt=ki·t1/2+C.

式中,qt為吸附t時(shí)刻吸附劑對吸附質(zhì)的吸附率,10-3;ki表示顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率系數(shù),mg/(g·min-0.5);C表示截距,1。具體擬合參數(shù)見表6。

表5 不同溫度條件下吸附甲苯的動力學(xué)擬合參數(shù)Table 5 Kinetics fitting parameters of toluene adsorption at different temperature

圖10為MGE吸附甲苯的動力學(xué)模型擬合結(jié)果。從圖10(a)、(b)可以看出,準(zhǔn)一級和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型所擬合的曲線均為一條平滑的直線,故MGE吸附甲苯過程可由這2個(gè)模型所描述。但由表5可知,準(zhǔn)一級吸附動力學(xué)的R2較低,而準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)R2要更接近于1,說明準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)模型能更真實(shí)反應(yīng)出MGE吸附甲苯的吸附機(jī)制,也即吸附過程包含復(fù)雜的物理吸附和化學(xué)吸附。

由表6和圖10(c)分析可知,顆粒內(nèi)擴(kuò)散各階段擬合曲線均不經(jīng)過原點(diǎn),且R2值較低、非完全線性關(guān)系,表明除顆粒內(nèi)擴(kuò)散作用外,存在如π-π鍵作用、孔道填充吸附等因素影響吸附過程。由圖10(c)可知,MGE吸附甲苯由3個(gè)階段構(gòu)成:首先是比表面積影響的表面擴(kuò)散階段;其次為快速吸附階段,因MGE表面官能團(tuán)豐富,提供了更多吸附點(diǎn)位、提高了疏水性作用、π-π鍵作用、氫鍵作用[15];最后,緩慢吸附至飽和階段,甲苯分子進(jìn)入MGE的間隙,且吸附力的作用開始減弱至消失,之后緩慢吸附至飽和,這一階段的主要影響因素是MGE的介孔含量、孔徑孔容。

表6 不同溫度條件下吸附甲苯的顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合參數(shù)Table 6 Fitting parameters of particle diffusion model for toluene adsorption at different temperatures

圖10 改性石墨烯吸附甲苯的動力學(xué)模型擬合結(jié)果Fig.10 Fitting results of adsorption kinetics of toluene adsorption on MGE

3.5 吸附機(jī)制

圖11為KOH改性石墨烯吸附甲苯的機(jī)制示意圖。MGE吸附甲苯分子主要受孔道填充吸附、疏水性作用、π-π鍵相互作用和H鍵作用的控制。

孔道填充吸附作用是吸附劑的基本吸附作用。所制備的石墨烯經(jīng)KOH刻蝕、氧化作用后,微介孔含量和平均孔徑增加、比表面積高達(dá)439.24 m2/g。根據(jù)BJH法計(jì)算得,MGE平均孔徑為3.91 nm,表明其孔徑主要分布在0～2 nm,而甲苯的分子直徑為0.65～0.68 nm,可進(jìn)入微-介孔中;其次,碳基材料對憎水性有機(jī)污染物的吸附機(jī)制之一是疏水性作用[27]。由FT-IR表征可知,石墨烯經(jīng)KOH刻蝕氧化后水分子含量減少,提高了材料疏水性能,而甲苯分子為憎水性物質(zhì),增強(qiáng)了甲苯分子在MGE中與水蒸氣的競爭吸附力。

FT-IR表征發(fā)現(xiàn),KOH氧化刻蝕作用能降低羥基(—OH)含量,并引入新的官能團(tuán)羧基,而羥基和羧基可與甲苯分子所含甲基形成H鍵[28](圖11)。研究[30]表明,吸附劑表面電荷和甲苯分子的甲基之間還可經(jīng)電荷作用形成電荷輔助氫鍵(CAHB)。同樣,MGE也存在此類氫鍵作用,從而增大了對甲苯的吸附性能,這與之前報(bào)道[31]相吻合。

圖11 改性活性炭吸附甲苯機(jī)制示意圖Fig.11 Mechanism of toluene adsorption on MGE composites

孔道填充吸附作用是吸附劑的吸附過程的基本作用,而疏水性作用、π-π鍵相互作用、H鍵作用等各類吸附作用力不一,在整個(gè)過程中不能確定各類吸附作用的貢獻(xiàn)率。故推測MGE吸附甲苯分子的過程可能分為3個(gè)階段:首先為表面擴(kuò)散及孔道填充吸附,甲苯分子在MGE材料上擴(kuò)散進(jìn)入微介孔中;其次,憎水性甲苯分子與MGE材料及其所含官能團(tuán)間的疏水性作用、π-π鍵相互作用、H鍵作用等共同作用,促使大量甲苯分子快速吸附于材料上;最后當(dāng)吸附點(diǎn)位飽和,各吸附作用力減弱后,MGE材料緩慢吸附至飽和。

3.6 不同吸附劑對甲苯的吸附性能

以活性炭纖維(ACF)、石墨烯作對比,考察制備的MGE對甲苯的吸附性能。在實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃、吸附劑質(zhì)量為0.3 g、甲苯質(zhì)量濃度為1 300 mg/m3下進(jìn)行甲苯吸附實(shí)驗(yàn)。圖12為不同吸附劑的甲苯吸附性能曲線。對比文獻(xiàn)中其他材料對甲苯的吸附性能,結(jié)果見表7。

顆粒活性炭及活性炭纖維等傳統(tǒng)吸附劑在VOCs吸附領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但其易燃性、易吸水、循環(huán)利用率低等特點(diǎn)限制了其在VOCs吸附領(lǐng)域的未來工業(yè)應(yīng)用;石墨烯作為一種新型納米多孔材料,比表面積、化學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于活性炭。根據(jù)表7中數(shù)據(jù)可得,MGE對甲苯的吸附性能高于ZSM-5、ACF、AC及其改性材料,本研究中MGE的平衡吸附率高達(dá)212.75×10-3,分別是活性炭纖維、石墨烯的3.35和2.27倍。在高質(zhì)量濃度下ACF對甲苯的吸附率高于MGE,表明MGE對甲苯的吸附性能優(yōu)于表中所報(bào)道的材料。在未來石墨烯及其復(fù)合材料非常有望進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)或室內(nèi)環(huán)境條件下除去VOCs。

圖12 不同吸附劑的甲苯吸附性能曲線Fig.12 Adsorption performance curve of different adsorbents on toluene

表7 不同多孔材料對甲苯的吸附能力比較Table 7 Comparison of toluene adsorption capacitiy of different porous materials

4 結(jié) 論

(2)在一定條件下,甲苯飽和吸附率與超聲時(shí)間、溫度成正相關(guān);但隨KOH濃度的增加,MGE的吸附穿透點(diǎn)、飽和點(diǎn)、甲苯飽和吸附容量均呈先增后減趨勢;不同材料吸附性能為MGE>石墨烯>ACF。表明MGE具有優(yōu)良的吸附性能。

(3)MGE吸附甲苯的吸附動力學(xué)過程可由準(zhǔn)二級動力學(xué)模型更好地描述。吸附過程主要受孔道填充吸附、疏水性作用、π-π鍵相互作用、H鍵作用的控制。