聚乙烯亚胺改性生物炭对水中甲醛的吸附特性及影响因素研究
引用本文:赵苏亚，刘哲，王永硕，等. 聚乙烯亚胺改性生物炭对水中甲醛的吸附特性及影响因素研究[J]. 化学试剂，2023, 45(12)：70-76.
DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0535
背景介绍
文章亮点
1.用废弃农作物玉米芯作为制备生物质炭的原材料，并用聚乙烯亚胺（PEI）对其进行改性，并将其用于水体中甲醛的去除，研究表明其可有效去除水中的甲醛，拓宽了废弃农作物资源的利用范围；
2.通过单因素实验分析了生物质炭投加量、pH值、初始浓度和吸附时间对甲醛去除率的影响，优化出对甲醛的最佳吸附条件。
内容介绍
1 实验部分
1.1 主要仪器与试剂
1.2 实验过程
1.2.1 材料的工业分析
采用空气干燥法（标准GB/T 211-2007 [22]）测定玉米芯水分含量；灰分以及挥发物的测定按照标准GB/T212-2008[23]。
1.2.2 改性生物质炭的制备和表征方法
1.3 吸附甲醛实验
1.4 数据处理分析
1.4.1 去除率和吸附量
任一时间生物质炭对甲醛的去除率及吸附量计算公式分别为如下：
E =( C0－ Ct) /C0 (1)
q = (C0 － Ce) V/m (2)
式中：E为去除率，%；q为吸附量，mg/g；C0、Ct、Ce依次为甲醛溶液的初始浓度、t时刻浓度和平衡时的浓度，单位均为mg/L；V为甲醛溶液体积，L；m为改性活性炭质量，g。
1.4.2 吸附等温线、吸附动力学和颗粒内扩散
2 结果与讨论
2.1 工业分析
2.2 表征结果分析
2.2.1 SEM表征分析
改性后玉米芯活性炭表面负载的许多亲水性胺基和含氧活性炭表面上的基团使得改性后的玉米芯活性炭能更好，且孔径变大，使其可以吸附更多的甲醛分子。
2.2.2 FT-IR谱图分析
改性后PEI-AC在1080 cm-1的特征峰可归属于的C-O收缩振动，1380 cm-1、1500～1700 cm-1和3200～3500 cm-1的特征峰可归属于活性炭表面N-H的伸缩振动[21]，可能是PEI使其表面的含氮的官能团增加了，从而增强了对甲醛的吸附效率。
2.2.3 XRD表征分析
AC和PEI-AC的石墨化程度相同而且没有明显的尖峰，说明二者的石墨化程度较低[24]。
2.3 甲醛静态吸附实验
当浸渍比达到0.2:1时，120 min内对甲醛去除率达到最大，为89.2%；当初始浓度30 mol/L时，吸附率为67.4%，再随着甲醛溶液初始浓度的增加，PEI-AC对甲醛的吸附率急速下降；采用0.3 g的PEI-AC时，去除效果高达84.9%，吸附量达到3.51 mg/g，随着投加量增加，去除率逐渐趋于稳定状态；在pH 3时，甲醛的去除率为89.2%，吸附量达到6.37 mg/g；随着吸附时间延长至120 min，吸附速率逐渐减缓，去除率为80.2%。随着吸附时间的延长，去除率变得逐渐趋于稳定。
2.4 吸附动力学分析
PEI-AC吸附甲醛的过程较为符合准二级动力学方程，可以判断该吸附过程为化学吸附。吸附过程同时受到膜扩散和颗粒内部扩散的共同影响。
2.5 吸附等温线拟合分析
PEI-AC对甲醛的吸附平衡数据均符合Langmuir模型，表明单分子层吸附。
3 结论
本实验PEI对玉米芯炭进行改性并应用于废水中甲醛的吸附。经过详细研究，改性活性炭在针对甲醛的吸附特性方面表现良好。随着改性剂PEI的增加，PEI-AC对甲醛吸附率不断增加，当浸渍比在0.2:1时，吸附率达到最大，增加到0.25:1时，去除率会下降。在最适条件下，即pH值为3，PEI-AC添加量为0.3 g，初始浓度为10 mg/L，吸附时间为2 h，可观察到PEI-AC的吸附效果是普通活性炭的2.11倍。FTIR分析显示，经PEI改性后，活性炭表面的官能团数量和种类增加，XRD显示PEI改变了活性炭的晶型，且C原子的排列顺序比原来未改性的活性炭好，也能从侧面说其内部孔隙结构发生了变化。SEM表征结果显示，PEI-AC的粗糙度均明显下降。
