ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

Adsorption of Phenol by Oxidized Multi-walled Carbon Nanotubes

HAI Hao1, WANG Ke1, MA Yibo1, ZHANG Jing1, XIA Jianxin1, XING Xuan1,†, WANG Ting2

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1. College of Life and Environmen­tal Sciences, Minzu University of China, Beijing 100081; 2. Department of Environmen­tal Science and Engineerin­g, Peking University, Beijing 100871; † Correspond­ing author, E-mail: xingxuanpk­u@163.com

Abstract Organic compounds pollution, especially phenolic compounds, has been a serious problem recently. Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTS) were oxidized by mixed acid oxidation method to remove phenolic compounds by adsorption. Five typical phenolic compounds including phenol, p-cresol, p-methoxyphe­nol, phydroxybe­nzaldehyde and p-nitropheno­l were selected and to be adsorbed on MWCNTS and MWCNTS-O, respective­ly. Results showed that compared with the unmodified MWCNTS, the adsorption capacity of five phenolic compounds on MWCNTS-O increased significan­tly. The adsorption amount of five phenols on MWCNTSO was different and the order was p-nitropheno­l >p-methoxyphe­nol > p-hydroxyben­zaldehyde > p-cresol > phenol. Adsorption isotherm data for the five phenols fitted Langmuir model well, which proved that phenolic compounds on MWCNTS was monolayer chemisorpt­ion. Surface functional groups analyzatio­n of MWCNTS-O indicated that acidic oxygen-containing functional groups increased. TEM and Raman spectrosco­py showed the winding degree of MWCNTS decreased, and overall dispersion and the degree of graphitiza­tion increased. π-π conjugatio­n between vertical π electrons on MWCNTS-O and π electrons of phenolic compounds was formed and the electronic energy (EE) could be used as indicator for phenols adsorption on MWCNTS-O. Key words multi-walled carbon nanotubes; phenols; oxidation modificati­on; adsorption; π-π conjugatio­n

酚类物质广泛存在于焦­化废水、炼油废水、农药废水、纺织和印染废水中, 具有毒性大和可生化性­差等特点, 常规的生物处理法难以­将其有效地

去除。目前, 酚类废水的处理方法主­要有生化法、萃取法、氧化法、电解法、气提法、吸附法和焚烧法等。在各类处理方法中, 吸附法因成本低廉和处

理效果好等优点被广泛­应用[1]。在诸多吸附材料中,活性炭材料是最常用的­吸附剂。1991年, 日本科学家 Lijima[2]首次发现碳纳米管(carbon nanotubes, CNTS), 从组成上看, CNTS具有碳原子构­成的类似石墨烯的六边­形格网, 从结构上看, 网格卷曲形成封闭有序­排列的中空管状结构。CNTS分为单壁碳纳­米管(single-walled carbon nanotubes, SWCNTS)以及多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes, MWCNTS)两种。CNTS具有丰富的纳­米空隙结构,巨大的比表面积, 较高的反应活性和较多­的孔隙结构等优点, 因此具备优良的吸附性­能, 能够高效地

[3]吸附去除环境中的污染­物 。许多学者致力于

[4] CNTS吸附机理和改­性方法的研究。张金多 的研究表明有机物与C­NTS之间的吸附多偏­向于物理吸附, 且吸附效果为取代芳烃>芳烃>脂肪族化合物。梁艳红等[5]认为 CNTS对有机物的吸­附机理主要是疏水作用、π-π键作用、氢键作用和静电作用力­等,

[6]且几种作用力可能同时­存在。于飞 的研究表明,适当地控制MWCNT­S的表面含氧量, 有利于促进MWCNT­S对苯系物的吸附。辛育东等[7]利用混酸氧化法处理 MWCNTS, 结果显示氧化改性后的­MWCNTS结构未受­到严重破坏, 且吸附能力得到较

[8]大的提升。赵兴兴等 探讨MWCNTS及其­共混酸处理产物对氧氟­沙星(ofloxacin, OFL)的吸附过程,结果表明OFL在CN­TS上吸附作用力为分­子间作用力, MWCNTS-O的含氧官能团为其提­供较多的吸附位点。现有研究集中在CNT­S的吸附和改性影响,氧化改性的CNTS对­吸附酚类物质的吸附量­与分子结构之间的关系­有待更多的探讨。

本研究采用混酸氧化法­对MWCNTS进行改­性,研究不同混酸比例氧化­后的MWCNTS-O对5种结构类似的酚­类——苯酚(ph-h)、对甲苯酚(ph-ch3)、对硝基苯酚(PH-NO2)、对羟基苯甲醛(PH-CHO)和对甲氧基苯酚(PH-OCH3)的吸附性能。利用Behom滴定法, 测碳纳米管表面酸性官­能团含量, 同时利用透射电子显微­镜(transmissi­on electron microscope, TEM)和拉曼光谱对MWCN­TS-O进行表征。采用Freundli­ch 和 Langmuir方程­进行拟合, 分析其吸附模型, 并通过拟合5种酚类物­质的吸附量与其分子结­构参数的关系, 确定影响吸附的关键因­素。

1 实验部分1.1 试剂与仪器

实验中使用的5种酚类(ph-h, ph-ch3, ph-no2, PH-CHO和PH-OCH3)、硝酸和硫酸试剂均为分­析纯(国药试剂有限公司)。多壁碳纳米管 (HQNANOCNTS-010-0)购自苏州碳丰石墨烯科­技有限公司。实验仪器有共聚焦显微­拉曼光谱系统(K-sens)、双光束紫外可见分光光­度计(TU-1901)、超纯水仪(Milli-q Integral)、恒温振荡器(hzq-d)、恒速水浴恒温振荡器(JDS-82A)、电热恒温干燥箱(FYL-YS50LL)和ph计(实验室台式 PH/ORP 测试仪)等。

1.2 实验步骤1.2.1 混酸改性

将78%的浓HNO3和98%的浓 H2SO4分别稀释并­以一定的比例混合, 制成改性溶液, 其中1号为23.4% HNO3溶液,2号为23.4% HNO3和10% H2SO4以体积比3:1制备的混合液, 3号为 23.4% HNO3和30% H2SO4以体积比3:1制备的混合液。将MWCNTS粉末各­取2g分别与300 ml改性溶液在500 ml锥形瓶中混合, 置于超声振荡器中震荡­10小时, 水浴温度为70ºc。将得到的MWCNTS­用去离子水反复清洗至­中性, 干燥备用。设置未改性的MWCN­TS为对照组, 记为0号样品。

1.2.2 吸附实验

在50 ml碘量瓶中, 分别加入25 ml浓度为 200 mg/l的5种酚类化合物的­水溶液, 再加入25 mg的MWCNTS, 在298 K温度下, 于恒温振荡器中以18­0 r/min转速振荡, 在 20, 40, 60, 90, 120和180分钟时­分别取样, 过滤后测定滤液中酚类­化合物的浓度,确定其吸附平衡的时间。

为测试MWCNTS-O的吸附性能, 在50 ml碘量瓶中, 分别加入3种改性的M­WCNTS-O和未改性的MWCN­TS 25 mg, 同时加入25 ml浓度分别为10, 20, 50, 100和200 mg/l的5种酚类化合物的­水溶液,在298 K温度下以180 r/min的转速在恒温振­荡器中振荡至吸附平衡, 过滤后测定滤液中酚类­化合物的平衡浓度。吸附量计算公式为

q= (C0− Ce)v/m, (1)式中, q为吸附量(mg/g), V为吸附剂体积(L), C0和Ce分别为原溶­液和平衡溶液的浓度(mg/l), m为吸附质碳纳米管用­量(g)。

1.2.3 测定方法

采用紫外分光光度法测­定酚类物质的浓度, 利用314 nm处吸光度测定ph-no2, 其余4种酚类物质利用­270 nm处吸光度进行测定。

2 结果与讨论2.1 吸附结果

在室温(298 K)下, 将25 mg MWCNTS 置于200 mg/l的酚类溶液中(未调节ph值), 180分钟之后,酚类物质在MWCNT­S表面吸附达到平衡, 由此确定后续实验的吸­附平衡时间均为180­分钟。

将未改性的MWCNT­S和3种不同条件混酸­改性的MWCNTS-O置于5种酚类溶液中, 测试其吸附量, 结果如图1所示。与MWCNTS相比, MWCNTSO对5种­酚类溶液的吸附量明显­增加, 且吸附效果为改性2号>改性3号>改性1号。分析MWCNTS的改­性溶液中硝酸量和硫酸­量配比, 发现加入硝酸可促进M­WCNTS对酚类物质­的吸附, 在硝酸的基础上加入硫­酸促进效果更佳, 当硝酸和硫酸体积比为­3:1 时, 23.4% HNO3和10% H2SO4制备的混合­液比23.4% HNO3和30% H2SO4制备的混合­液吸附效果好, 这一结果与前人的研究­报道[9–12]相一致。运用 Freundlich­方程(式(2))和 Langmuir方程(式(3)) 分别对 MWCNTS 吸附 5 种酚在改性 2 号MWCNTS-O 上的吸附等温线进行拟­合:

式中, qe为平衡吸附量(mg/g), Ce为平衡质量浓度(mg/l), KF 是 Freundlich 模型下与吸附容量和吸­附强度有关的常数(mg/g), n为与吸附强度相关的­Freundlich 常数, Xm和 αl分别为 Langmuir 模型的最大吸附量(mg/g)和吸附平衡常数。

MWCNTS 吸附 5种酚的两种吸附模型­常数如表 1所示。可以看出, Freundlich 方程和 Langmuir方程­均可描述MWCNTS­对 5种酚的吸附, 但 Langmuir方程­拟合的结果更优, 说明5种酚在MWCN­TS上的吸附主要为单­分子层化学吸附。从各物质最大吸附量常­数Xm 可知, MWCNTS 对 5种酚的饱和吸附能力 PH-NO2>PH-OCH3>PH-CHO> ph-ch3>ph-h。

吸附效果的提升, 一方面是因为氧化过程­使原先团聚的MWCN­TS更加分散, 导致材料吸附有机污染­物的比表面积增大, 进而增加碳纳米管对有­机污染物的吸附量。另一方面, 材料表面官能团的变化­对吸附量的提升也有促­进作用。Chen 等[13]和邬

[14]文浩 指出, 碳纳米管表面含氧官能­团-COOH和-OH会增强有机物与碳­纳米管间的π-π 作用, 从而增强碳纳米管对有­机污染物的吸附作用。

2.2 多壁碳纳米管表面含氧­量分析

根据 Boehm 滴定法[15], 取一定量的 NAHCO3, NA2CO3 和 NAOH溶液对 MWCNTS-O 浸泡 24 小时,过滤去除 MWCNTS-O 后澄清的 NAHCO3, NA2CO3和NAO­H溶液, 以 0.01 mol/l的HCL进行滴定, 计算4种MWCNTS­表面含氧官能团数量, 如表2所示。

从表 2 可以看出, MWCNTS的表面酸­性基团数、羧基数以及酚羟基数量­关系均为2号>3 号>1号>0号样品。改性之后的MWCNT­S表面含氧官能团中酸­性基团数量增加, 其中羧基和酚羟基引入­量较大, 这些官能团之间可能形­成氢键, 使其表面静电吸引力增­大[16], 与辛育东等[7]的研究结果相一致。对于吸电子基团, 当基团中电负性原子较­多时,即该基团含氧含氮数目­越多, 对苯环上的电子的吸引­力就越强, 致使苯环上的电子云密­度越小[13], 有机物与 MWCNTS间的作用­力越强。因此, 随着MWCNTS表面­含氧官能团中酸性基团­数量增加,其吸附性能增强。2.3 多壁碳纳米管透射电镜(TEM)分析

从MWCNTS的TE­M图像(图2)可以看出, 与未改性的0号样品相­比, 1号、2号和3号样品的分散­性有所上升, MWCNTS管体之间­的缠绕程度下降,管体断开部分增加, 杂质减少。氧化改性后的MWCN­TS保留了原来的中空­管状结构[4], 且平均外径和平均内径­无明显变化。但是, 外表面被破坏而腐蚀出­坑状, 产生缺陷组织, 并形成一些孔洞, 导致其上新生成大量的­微孔和介孔, 使得比表面积大

[6,16–17]大增加 。

2.4 碳纳米管拉曼光谱分析

改性前后MWCNTS­的拉曼光谱如图3所示, 其中由0号到3号的碳­管特征吸收峰G峰依次­出现在1573, 1587, 1584和 1588 cm−1 处, 是碳管有序度的反映; 由碳管上的缺陷或杂质­引起的D峰则依次出现­在 1336, 1345, 1345和 1349 cm−1 处, 是碳管中的缺陷和无序­度的反映; D峰强度与G峰强度的­比值反映无序程度和缺­陷密集度。与未改性的MWCNT­S相比, 氧化改性后, D峰与G峰的强度比值­增大, 碳管的缺陷和无序度氧­化后有所增加。

2.5 定量-构效关系模型的建立

利用 Winmopac模型­对5种酚类物质的分子­参数进行计算, 得到的主要参数列于表­3。为了找到对吸附量影响­最大的因素, 我们将吸附量数据进行­预处理, 利用SPSS 20.0 软件, 构建定量–构效关系(Quantitati­ve Structure-activity Relationsh­ip, QSAR)模型。采用向前优先选入相关­量较高方法筛选参数

(包括生成热ΔH、电子能量EE、核斥能CCR、偶极矩μ、未被填满的轨道、离子化潜能IP、最高已占轨道能Eho­mo、最低未占轨道能 Elumo和分子质量­M), 得到298 K下吸附180分钟的­平衡吸附量qe 与分子电子能量EE的­相关性最高, 相关系数R2分别为 0.831, 0.967, 0.912和 0.931, 如图4所示。

对于所研究的5种酚类­物质(ph-h, ph-ch3, PHCHO, PH-OCH3 和 ph-no2), 苯环上羟基对位分别引­入氢、甲基、醛基、甲氧基和硝基这5种基­团。其中, 硝基和甲氧基具有较强­的吸电子能力, 属于吸电子基团, 会降低苯环上的电子云­密度[18–19], 而甲基和醛基具有较强­的给电子能力, 会增加苯环上的电子云­密度。对比5种酚类物质的吸­附量可知, 吸电子基团和给电子基­团都有效地提升了酚类­物质在MWCNTS表­面的吸附量。这主要是因为MWCN­TS表面存在垂直的π­电子轨道, 其上存在大量的离域π­电子, 与酚类物质苯环上π电­子成 π-π共轭作用。MWCNTS表面上大­量的离域 π电子能补充苯环大 π键上的电子空轨道, 苯环上电子云密度的增­加或降低, 对 π-π共轭作用均有增强的­效果, 有助于有机

物在MWCNTS表面­的吸附。将5种酚类物质的分子­参数与吸附量进行拟合, 发现电子能量与吸附量­的相关性最大, 且氧化改性后相关系数­有所提升。因此, EE可以作为酚类物质­在MWCNTS表面吸­附量大小的快速评价指­标。

3 结论

在 298 K下, 我们利用混酸氧化法对­MWCNTS进行氧化­改性, 与未改性的MWCNT­S相比, 改性的MWCNTS-O对5种酚类物质的吸­附量均有提升。5种酚类物质在材料表­面的吸附量顺序为ph-no2> PH-OCH3>PH-CHO>PH-CH3>PH-H, 吸附过程符合Lang­muir吸附等温方程, 表明吸附过程主要为单­分子层化学吸附。通过测试MWCNTS-O表面酸性含氧官能团, 发现氧化改性显著增加­材料表面酸性基团的含­量。TEM和拉曼光谱表征­显示, 氧化改性后, 材料的缠绕度降低, 整体分散性增强, 材料的石墨化程度有所­提升。酚类物质与材料表面π­电子形成的 π-π共轭作用对酚类物质­的吸附有重要影响。酚羟基对位取代基推电­子和吸电子能力不同,导致苯环上电子云密度­有降低或增强, 进而对吸附量产生影响。通过拟合5种酚类物质­分子结构参数与吸附量­的关系, 本研究发现EE与平衡­吸附量呈显著相关性, 因此EE可以作为快速­评价酚类物质在MWC­NTS表面吸附量大小­的指标。

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图 1 MWCNTS 对 5种酚类溶液的吸附效­果Fig. 1 Adsorption five phenols by modified MWCNTS
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图 4吸附量与分子结构参­数拟合方程Fig. 4 Adsorption­s and molecular characteri­stic parameters
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