磁性椰殼活性炭的物理性質(zhì)隨其磁化率的改變而改變

    摘　要:　根據(jù)表面活性劑特殊的分子結(jié)構(gòu),以順磁性材料為磁核,在其表面先后覆蓋內(nèi)層、外層兩層表面活性劑的單分子膜,合成磁化劑。依靠磁化劑外層單分子膜親水基團的作用使磁化劑與椰殼活性炭鍵合在一起,活性炭因此被賦予磁性。通過對磁化劑用量、pH值、活化劑等因素對椰殼磁性活性炭磁化率影響的研究。確定了椰殼磁性活性炭的佳合成條件為:MR-20為磁化劑、pH值為1.8~2.4、在60℃時加入適當(dāng)無機鹽類活化劑。椰殼磁性活性炭的物理性質(zhì)隨其磁化率的改變而改變。
    1　前言
　　作為一種重要的工業(yè)原料,活性炭由于其本身所具有顯著的吸附性能、巨大的比表面積、發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)在冶金、醫(yī)藥、食品及環(huán)保領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。但在活性炭的實際應(yīng)用領(lǐng)域中仍然存在許多問題,如活性炭的分離問題。傳統(tǒng)的分離方法只能采用過濾法,但這種方法容易引起篩網(wǎng)堵塞或活性炭的流失。與過濾法相比,磁選分離具有省時、價廉、安全、質(zhì)高的優(yōu)點。對活性炭來說,其本身磁化率非常小,不適于磁分離。因此,磁性活性炭的研制成為當(dāng)今各國該領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注熱點。中國、日本、美國的一些研究人員在這方面做了大量工作,但均未得到滿意效果。1990年,中國唐山建新活性炭公司以粘結(jié)法生產(chǎn)出磁性活性炭,但由于粘結(jié)劑的使用,使活性炭的吸附性能大大降低。1991年,中國科學(xué)院金屬研究所王崇琳制得磁性活性炭的方法為:將活性炭浸入到含鐵、鈷、鎳的鹽溶液中,然后再將其浸入到草酸銨溶液中,后再將其于600℃~1200℃下通入H2、N2進行磁化處理[1,2]。但是由于此種方法需高溫、高壓、成本昂貴。另外,磁性活性炭中由于大量金屬鹽的滲入,金屬含量過高、吸附性能大大降低。1992年,Zto,Takeo通過將活性炭與乳膠、CMC和水的混合物一起壓成片狀而制得磁性活性炭[3]。1988年~1996年間美國人也在這一領(lǐng)域做了大量工作,但收獲較少。椰殼活性炭由于其原料易得,性能優(yōu)異,在很多領(lǐng)域是其它木質(zhì)炭、煤質(zhì)炭等無法替代的�；�于這一原由,本研究合成了高吸附性、大比表面積的椰殼磁性活性炭。
    2　實驗
    2.1　椰殼活性炭的性質(zhì)
    選用椰島公司生產(chǎn)的BK-210椰殼黃金炭為原料,其理化指標(biāo)如下:
磁化率    κ/10-6cm3·g-1         0.6071
強　度        W/%                          98
水　分        W/%                          4.29
灰　分        W/%                          0.76
碘　值        W/mg·g-1              1045
鐵含量        W/%                          0.10
氯含量        W/%                          0.02
酸溶物        W/%                          2.47
　　這里,活性炭的磁化率測定采用復(fù)旦大學(xué)教研儀器廠生產(chǎn)的H-900型古依磁天平,測試電流強度為0A、0.5A、1.0A、1.5A;活性炭的強度、灰分、水分、碘值、鐵含量、氯含量、酸溶物含量依據(jù)GB/T12496.1-12496.22-90《木質(zhì)活性炭檢驗方法》進行測定。
    2.2　磁化劑合成原理
    磁化劑由磁性物質(zhì)(諸如:磁鐵礦、赤鐵礦、鐵酸鹽、磁赤鐵礦、磁黃鐵礦,含鐵鎳的合金等)和內(nèi)外兩層表面活性劑的單分子膜構(gòu)成。表面活性劑的官能團可以與磁性材料和其它物質(zhì)相互作用,在適當(dāng)?shù)臈l件下,表面活性劑可以起到類似橋梁的聯(lián)接作用[4-6]。亦即磁化劑為由表面活性劑和磁性材料組成,能夠與其他物質(zhì)鍵合并賦予其磁性的物質(zhì)[7]。磁化劑在水中的理想狀態(tài)如圖1所示[8]。

　　覆蓋于磁核表面形成內(nèi)層單分子膜的表面活性劑必須為第一水溶性的、有機、異極性、碳原子數(shù)不少于3,分子一端必須能與磁性粒子鍵合,而另一端為憎水基;覆蓋于內(nèi)層單分子膜表面形成外層單分子膜的表面活性劑必須為第二水溶性的、有機、異極性、碳原子數(shù)不少于3,分子一端的憎水基與內(nèi)層單分子膜的憎水基相鍵合,分子的另一端向外伸展。非磁性物質(zhì)在漿狀下,通過其表面與磁化劑外層官能團的鍵合,使覆蓋了兩層表面活性劑單分子膜的磁核吸附于其表面,從而賦予其磁性。用于內(nèi)層、外層的表面活性劑可以為陰離子型或陽離子型,也可以為非離子型。磁性物質(zhì)可以由多種方法獲得。例如,可以通過碾碎礦石獲得Fe3O4,也可以由所謂的濕法獲得。即由二價鐵和三價鐵的鹽類與堿反應(yīng)即制得漿狀磁鐵礦Fe3O4[6]。
Fe2++2Fe3++8OH-→Fe3O4+4H2O
    2.3　磁化劑合成實例
    磁性粒子由二價鐵鹽和三價鐵鹽與堿反應(yīng)制得,即將3.6g FeSO4·7H2O,4.8g FeCl3·6H2O溶于10mL水中,然后加入10mL56%的氨水,快速混合產(chǎn)生沉淀,將生成的沉淀加熱到沸騰。以磁鐵收集磁性粒子,然后水洗以沖掉剩余鹽類,后約得2.7g磁性顆粒。再將所得的2.7g沉淀溶于10mL水中,然后向其中加入0.6g十二烷基硫酸鈉,并加入5滴5mol/L的氫氧化鈉,將此混合物92℃恒溫50min,以使十二烷基硫酸鈉充分吸附于磁性粒子表面。反應(yīng)之后以1mol/L的鹽酸調(diào)節(jié)其pH到7.0。然后以磁鐵收集固體顆粒,其余液體棄掉,然后水洗收集到的固體顆粒,后向其中加入0.5g的異丁基三聚磷酸鈉和水共10mL,制得目標(biāo)產(chǎn)物—磁化劑。
    2.4　椰殼磁性活性炭的合成
    水洗椰殼活性炭,然后將其置于0.02mol/L活化劑溶液中浸漬2h,調(diào)整pH到適當(dāng)值,然后加入磁化劑(一定的磁化劑溶于適當(dāng)量水中),60℃攪拌2h,然后水洗活性炭以沖掉活化劑及剩余的磁化劑,然后將其于104℃烘干2h,即制得椰殼磁性活性炭。
    3　結(jié)果與討論
    3.1　磁化劑種類的影響
    由于磁化劑外層表面活性劑單分子膜親和能力的變化,不同磁化劑對同一物質(zhì)的磁化能力不同,同種磁化劑對不同物質(zhì)也具有不同的磁化效果。因此,在合成磁性椰殼活性炭以前,我們必須確定佳磁化劑。表1列出了磁化劑種類對椰殼活性炭磁化效果的影響(MR為系列催化劑編號)。

 

　　由表1可以看出,MR-20為合成椰殼磁性活性炭的佳磁化劑。
    3.2　pH值的影響
    物質(zhì)在電量為零時的pH值稱為這種物質(zhì)的等電點。當(dāng)pH值高于等電點時,物質(zhì)表面帶負電,即能與以陽離子表面活性劑為外層的磁化劑鍵合,反之亦然。由于pH值能改變活性炭表面的電荷狀態(tài),甚至影響活性炭表面官能團的化學(xué)結(jié)構(gòu),因此,pH值對于合成磁性活性炭時磁化劑的賦磁效果有較大影響(圖2)。
圖2　pH值對MR-20合成椰殼磁性活性炭的影響

 

　　由圖2可以看出,當(dāng)MR-20用以合成椰殼磁性
活性炭時,佳pH值范圍為為1.8~2.4。
    3.3　活化劑的影響
    磁化劑與活性炭之間的鍵合由以下幾條因素決定[9]:
    (1)非極性的范德華力,這種力強度較弱,隨外層表面活性劑分子量的增加而增加。
    (2)氫鍵
    (3)靜電力
    (4)共價鍵
    其中后三種作用力較強,因此在合成椰殼磁性活性炭的過程中,需要加入一些鹽類而改變活性炭的表面性質(zhì),尤其是活性炭表面的電荷狀況,從而影響其與磁化劑的鍵合,這樣的鹽類,我們稱之為活化活化劑對MR-20合成椰殼磁性活性炭的影響。

 

    3.4　磁化劑用量的影響
    隨著磁化劑用量的增加,被磁化物質(zhì)表面的鐵磁性物質(zhì)也會呈一定比例增加。由圖4可以看出,在本項研究的范圍內(nèi),磁化率與磁化劑的用量近似呈線性增加。

 

　　磁性活性炭的電子顯微鏡觀察和低溫液氮靜態(tài)吸附容量法孔結(jié)構(gòu)分析表明,磁化劑主要吸附在活性炭的大孔和表面凹陷處,中孔上也有少量吸附[10]。X射線光電子能譜(ESCA)對活性炭表面C元素加泰變化分析結(jié)果表明,磁化劑在活性炭表面的吸附是物理吸附和化學(xué)吸附兩種形式作用力并存[11]。
    4　結(jié)論
    (1)JX-01為原料合成磁性活性炭時,MR-20為佳磁化劑。
    (2)在本項研究范圍內(nèi)合成磁性活性炭的佳條件為:pH=1.8~2.4,溫度60℃,加入適當(dāng)無機鹽類活化劑。
    (3)磁性活性炭的各項理化指標(biāo)隨磁化率的改變而改變,但其吸附性能變化不大。

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