极性与非极性有机化合物在碳纳米管上的吸附研究.pdfVIP

第四届全国环境化学学术大会论文集(下册) 极性：与非极性有机化合物在碳纳米管上的吸附研究 段林1朱东强2陈威 (1．天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室，南开大学环境科学与工程学院，天津，300071； 2．污染控制与资源化研究国家重点实验室．南京大学环境学院，南京，210093) 摘要本文系统研究了极性与非极性有机化合物在单壁和多壁碳纳米管上的吸附行为，从分子级别探讨了 有机化合物与碳纳米管间的作用形式及可能的作用机理。结果表明：极性与非极性的有机化合物在碳纳米 管上的吸附均呈现出明显的非线性：吸附强度表现为含有硝基的极性芳香化合物非极性的芳香化合物非 极性的链烃化合物，吸附并不仅仅取决于有机化合物的溶解度和疏水性．而且与其芳香性和苯环上取代基 的电荷性能关系密切。由于硝基的强吸电子效应，含有硝基的极性芳香化合物能作为电子受体物与高度极 化的碳纳米管产生强电子供．受体作用，使得其吸附强度远大于疏水性相近的非极性芳香化合物，并且随硝 基取代基数量增加而增强；非极性的环己烷虽然疏水性强、溶解度低，但由于不含有芳香冗电子结构，在 碳纳米管上的吸附较弱。碳纳米管与芳香化合物分子问的兀-7r电子供·受体作用以及兀电子共轭作用可能是 影响有机化合物在碳纳米管上吸附强度的重要因素。 关键词纳米碳管；吸附等温线；疏水分配；电子供．受体作用，丌电子共轭 0引言 碳纳米管是由单层或多层的碳石墨片卷曲而成的中空管，被认为是非常好的水、废水处 理和环境修复材料。目前关于碳纳米管与有机化合物吸附作用的研究较少，且局限于非极性 有机物【1，21。本文系统研究了极性与非极性有机化合物在单壁和多壁碳纳米管上的吸附行 为，探讨了有机化合物与碳纳米管问作用形式及可能的作用机理。 1实验 1．1实验材料 碳纳米管购自深圳纳米港，由催化气相沉积法制备。本实验采用350C灼烧和70％的次 氯酸钠溶液氧化的方法去除碳纳米管中的无定形碳及痕量重金属杂质，经处理后的单壁和多 壁碳管材料的BET比表面积分别为370m2／g和148m2／g。 实验选用了苯、甲苯、氯苯、l≯二氯苯、l，2争三氯苯、1,2,4，5．四氯苯、硝基苯、4． 硝基甲苯、2,4．二硝基甲苯和环己烷为目标化合物，纯度均为分析纯或更高。 1．2实验方法 吸附实验采用摇瓶法在室温下进行。先称取10-20mg的碳纳米管于40ml带Teflon垫片 用微量进样针加入含有目标化合物的甲醇储备液(加入储备液体积不超过电解液体积的 0．1％)，放到旋转混合器上以lr／min的速度旋转至少30天达吸附平衡。平衡后的样品静置 24小时以分离碳纳米管，然后取适量上清液用正己烷萃取(环己烷用二氯甲烷萃取)，萃取 液用Agilent6890气相色谱分析，其中苯、甲苯、氯苯、环己烷用DB．624柱，FID分析， 其它化合物用HP-5柱，GC-ECD分析。 预实验表明瓶壁吸附可以忽略不计，碳纳米管上化合物的吸附量可以根据平衡前后化合 物液相浓度的变化按照质量守恒计算。 716 第【11j届全国环境化学学术大会论文集(下册) 2结果与讨论 2．1吸附现象 图a给出了实验所选的化合物在单壁碳纳米管上的吸附情况。从图上看，有机化合物在 碳纳米管上的吸附并不仅仅取决于其溶解度和疏水性，例如环己烷虽然‰高于苯、甲苯及 硝基取代和小分子氯取代化合物，且＆远低于这些化合物，但吸附能力却比这些化合物要 弱；相对于甲苯和氯苯，硝基苯的‰值较低，鼠较高，但硝基苯在碳纳米管上的吸附比甲 苯和氯苯要强；另外硝基甲苯的吸附强度与高‰值的二氯苯、三氯苯相近等等。诸如此类 现象表明有机化合物与碳纳米管间的特殊作用会很大程度上影响吸附。多壁碳纳米管上吸附 情况与单壁碳纳米管结果一致，受篇幅所限，本文不加以讨论。 2．2吸附疏水标化 本研究以惰性溶剂．正十六烷作为标准态，标化有机物在碳纳米管上的吸附以排除极性 的水分子作为溶剂引起的吸附自由能的改变【3，4】。标化后的吸附情况如图b所示，可以看出 有机化合物在碳纳米管上的吸附出现了明显的分区：硝基取代的芳香化合物，吸附程度显著 高于其它非极性的芳香或链烃化合物；非极性的苯，甲苯及氯取代的芳香化合物，吸附程度 非常接近；非极性的环己烷吸附较弱。 一2joEE一寸