硅胶的表面硅烷化处理及其吸附性能研究
第23卷第3期化学研究与应用
V01.23,No.32011年3月
Chemical
ResearchandApplication
Mat.,2011
文章编号:1004.1656(2011)03-0373-04
硅胶的表面硅烷化处理及其吸附性能研究
王
力,王小楠,苏涛,朱丽丽
(山东科技大学化学与环境工程学院,山东青岛266510)
摘要:为研究改性硅胶对挥发性有机废气的吸附性能,分别采用十六烷基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、
苯基三甲氧基硅烷、一甲基三乙氧基硅烷对硅胶进行气相改性处理,试验研究了不同改性剂、改性时间对硅胶饱和吸附率的影响,考察了改性硅胶对甲苯、水二组分体系的吸附选择性。结果表明,硅胶对甲苯的吸附主要为物理吸附,长链的硅烷改性剂在60℃、气相改性4h条件下能提高改性硅胶对甲苯的饱和吸附率,同时对甲苯、水二组分体系,使用长链硅烷改性硅胶可以有效提高对甲苯吸附的选择性。关键词:硅胶;表面改性;改性硅胶;有机废气处理中图分类号:0627.41
文献标识码:A
Study
on
surfacesilylationtreatmentofsilicagelanditsadsorptionproperty
WANGLi,WANG
Xiao・nan,SUTao,ZHULi—li
(College
of
ChemiealandEnvironmental
E蟛neering,SharldongUniversity
ofScienceand
Technology,Qinsdao266510,China)
Abstract:Inorder
to
study
the
adsorptionproperty
ofmodified
silica
gel
tovolatile
organic
exhaust
gas,the
hexadecyhrimethoxysilane,ectyltriethoxysilane,pbenyhrimethoxysilaneandmethytriethoxysilane
were
usedforgasmodificationof
silicagel
respectively,theeffctofdifferentmodifiersandmodificationtime
on
the
satumtedadsorptionamountofsilicagelhasbeen
mv髓tigated,and
the
adsorptionselectivityofmodifiedsilica
gel
totoluene
and
watermixture
was
also
studied.Theexperimental
resultsshowthattheadsorptionofsilicagel
to
tolueneismainlyphysical
adsorption,andthesaturationadsorptioncapacityofsilica
gel
call
beimprovedbymodificationoflong-chainsilaneat60℃for4h。whilethemodifiedsilicagelbylong・chainsilane
can
increasetheadsorptionselectivityofsilicagel
to
toluene
and
water
component.
Keywords:silicagel;surfacemodification;modifiedsilicagel;volatileorganicexhaustgas
目前,挥发性有机气体是造成空气污染的重代表性物质之一。
与其它挥发性有机废气污染控制技术相比,
Organic
Compounds)是指25℃下蒸汽压为
吸附技术应用于VOCs污染的控制具有明显的优
13.33-50.66kPa的化合物,也泛指沸点在50-点,是目前有效的处理技术之一【6],也是环保领域
的一个研究热点。有关活性炭吸附、水蒸气解吸
回收挥发性有机气体的方法已得到一定程度的应用,但存在冷凝水的二次污染、再生周期长等诸多
问题【7,8】。硅胶作为一种坚硬多孔的固体颗
万方数据
effectively要因素之一。通常挥发性有机化合物(VOCs,
Volatile260。C之间的化合物¨.2】,这类有机化合物成分复杂,其所具有的毒性、刺激性、致癌、致畸、致突变性将会对环境、动植物的生长及人类身体健康造成极大的危害【3引。甲苯是此类污染物中的主要
收稿日期:2010-08-26;修回日期:2010・11-25
基金项目:青岛市科技计划资助项目(08-2・1・16一nsI,o)
联系人简介:王力(1966-),男,教授,博士生导师,主要研究方向矿物材料、吸附材料制备。Email:wanglisdust@126.com
374
化学研究与应用
第23卷
粒,是工业上常用的一种吸附剂。通常的普通硅
胶价格便宜,具有较高的比表面积和较强的吸附能力,但大多吸水性强。若通过在硅胶表面嫁接
有机基团以提高其表面疏水性能和对有机气体的吸附选择性,并增加对有机气体吸附稳定性,将会在环境污染治理方面呈现出十分广阔的应用
前景。
1
实验部分
1.1实验材料及仪器
A型细孔硅胶(直径1-3mm,平均孔径2.0.3.0nm,青岛海洋化工有限公司)。硅烷偶联剂十
六烷基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、一甲基三乙氧基硅烷为工业品;甲苯为分析纯。
主要仪器为鲁南瑞虹化工仪器有限公司sP一6800A型气相色谱仪。
1.2
A型硅胶的气相改性
首先移取20ral某种硅烷偶联剂加入到玻璃
真空干燥器底部,然后在玻璃真空干燥器的隔板
上铺设细孑L铁丝网,并在铁丝网上均匀放置209A
型硅胶,最后盖上盖并放人烘箱,分别在60℃下改性不同时间。制得十六烷基三甲氧基硅烷、辛基
三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、一甲基三乙氧基硅烷分别在4h、8h、12h、16h、20h条件下的改性
硅胶样品。1.3测试方法
饱和吸附率测定:首先称取一定质量待测改
性硅胶样品放人电热真空干燥箱中,在90℃、真空度700mmHg条件下干燥8h,然后在玻璃真空干燥器底部加入50ml甲苯,再准确称取3.0009左右干燥改性硅胶样品平铺在表面皿里并放置在玻璃真
空干燥器的隔板上,盖上盖后放入烘箱内125℃条件下吸附8h,然后称取吸附后硅胶样品质量,计算出改性硅胶样品对甲苯的饱和吸附率(Q):
Q=(m2一m1)/ml×100%,其中m。为改性硅胶吸附前质量,m:为改性硅胶吸附后质量。
常压动态吸附试验:用热导检测器气相色谱法测定气态甲苯与水的浓度,检测限为200.g/m3。实验室模拟吸附试验装置如图1所示。
万方数据
1.氮气钢瓶;2.转子流量计;3.洗气瓶(甲苯);
4.洗气瓶(水);5.混气瓶;6.三通阀;
7.吸附柱;8.气相色谱仪图1
常压流动二组分吸附装置图
1.N2
cylinder;2rolameter;3.gaswashingbot恤(toluene);
4.gaswashingbottle(watter);5.gasmixingbottle;
6.triplevalve;7.adsorptioncolumn;8.gaschromatograph
Fi昏1
Apparatus
diagramfortwo—componentadsorption
inatmosphericflow
采用常压流动吸附装置对不同改性硅胶样品进行甲苯、水二组分体系吸附试验。如图1,钢瓶
载气经过减压后分别通过流量计进入水与甲苯的洗气瓶,然后进入混气瓶混合,混合均匀的气体经流量计,再通过调节两个三通阀使混合气体直接进入气相色谱仪;待气路系统稳定后,称取4.OOg
左右的改性硅胶装入吸附柱,然后调节两个三通
阀使混合气体经过吸附柱后再进入气相色谱仪。气相色谱仪每隔20rain采样一次,记录甲苯与水
的浓度变化,直至经过吸附柱的各组分气体浓度
不再发生变化为止,此时的气体浓度称为出口采样浓度,并计算出每次采样时气体中水与甲苯的
浓度比(尺):R=C,/C2,C。为水的出口采样浓度,C:为甲苯的出口采样浓度。
试验测定出气体组分中甲苯和水的入口浓度
分别为55mg/L、12mg/L,水与甲苯入13浓度比约
为0.22。经过改性硅胶吸附处理后,若C:不变,C。趋向于零时,则R趋向于零,说明改性硅胶吸附材料对水表现出较强的吸附选择性;若C。不变,c:趋向于零时,则R趋向于无穷大,说明吸附材料
对甲苯表现出较强的选择性。因此,用R的变化
可以简单描述改性硅胶吸附材料对甲苯和水吸附
的选择性。
2结果与讨论
2.1
改性硅胶饱和吸附率的测定
对改性硅胶进行饱和吸附率测定,比较不同
第3期王力等:硅胶的表面硅烷化处理及其吸附性能研究
375
改性剂、不同改性时间对硅胶饱和吸附率的影响,试验所得结果如图2所示。
3
^更
传_莲
擎一茈
爱
1.十六烷基三甲氧基硅烷改性硅胶;2.辛基三乙氧
基硅烷改性硅胶;3.苯基三甲氧基硅烷改性硅胶;4.一甲基三乙氧基硅烷改性硅胶
图2不同改性荆、改性时闻对硅胶饱和吸附率的影响
1.Modifiedsilicagelbyhexadecyhrimethoxysilane;
2.Modifiedsilicagelbyoctyltriethoxysilane;3.Modifiedsilicagelbyphenyltrimethoxysilane;
4.Modifiedsilicagelbymethytriethoxysilane
Fig.2
Effectofdifferentmodifiersandtime
O/1
adsorptionratioofsilicageI
从图2中试验结果分析可见:(1)在改性时间
三乙氧基硅烷改性硅胶的饱和吸附率呈现上升趋
势;当改性时间超过4h,饱和吸附率均随改性时间
的增长而降低。苯基三甲氧基硅烷改性硅胶、一甲基三乙氧基硅烷改性硅胶随着改性时间的增长,对甲苯的饱和吸附率呈现下降趋势。(2)在改
性时间相同时,改性硅胶的饱和吸附率随着改性剂有机链的变短而呈现下降趋势,因此长链的硅烷改性剂有利于提高硅胶对甲苯的吸附能力。
(3)随着改性时间的增长,硅烷在硅胶表面的嫁接
量增加有利于提高其吸附能力,但同时其在硅胶孔道内的嫁接的增加反而会降低其饱和吸附率;
相比较而言,改性剂有机链越短,越易进入硅胶孔道内部减小其对甲苯的吸附能力。
为了研究改性硅胶样品对甲苯、水二组分体系的吸附行为,利用模拟气体吸附装置和气相色为标准大气压101.3kPa,通过的甲苯气流量为
I/rain,水气流量为0.3I/rain,甲苯、水的入口
万方数据
浓度比约为0.22。改性硅胶吸附试验过程中水、
甲苯出口浓度比(R)随时间的测定结果如图3所示。
董
型强搏
臣
p
长
九硅胶;A—C16.4.十六烷基三甲氧基硅烷改性硅胶4h;
A-(;8-4.辛基三乙氧基硅烷改性硅胶4h;A—C6-4.苯基三甲氧基硅烷改性硅胶4h;
A.C1.4.一甲基三乙氧基硅烷改性硅胶4h
图3
改性硅胶吸附试验中水/甲苯出口浓度比测定曲线
丸silicagel;A-C16-4.modifiedsilicagelby
hexadecyltrimethoxysilanefor4h:A・C8-4.modifiedsilicagel
byoctyltriethoxysilanefor4h;A・C6-4.modifiedsilicagdby
phenyltrimethoxysilanefor4h;A・C14.modifiedsilicagelby
methytriethoxysilanefor4h
Fig.3
Themlrveofoutflow"concentrationratio
of
waterand
toluenefor
modifiedsilicageladsorptionexperiments
由图3中各曲线的测定结果可见:(1)由于水与甲苯人口浓度比值约为0.22,所以如果吸附剂没有选择性则水与甲苯出口浓度也应维持在0.22
左右;各种改性硅胶在前100min表现出了选择性的差异,但100min以后基本维持在0.22左右。
(2)经辛基三乙氧基硅烷(OTES)、十六烷基三甲氧基硅烷(CTMS)改性硅胶A.C8-4和A—C16-4在前lOOmin表现出对甲苯的选择性明显优子未改
(MTES)短链硅烷改性硅胶在前100min表现出对甲苯的选择性明显不如未改性硅胶,因此短链改
(4)未改性的A型硅胶在前100rain对甲苯的吸附能力强于对水的吸附能力,产生这种现象的原因
因此,单纯对于烃链来说,可以认为硅烷改性
4h以内时,十六烷基三甲氧基硅烷改性硅胶、辛基性的A型硅胶,因此进一步验证了长链硅烷改性剂改性的硅胶能提高对甲苯的选择性。(3)苯基三甲氧基硅烷(CMTMS)、一甲基三乙氧基硅烷
2.2不同改性剂对硅胶吸附选择性的影响
性剂不利于提高硅胶吸附材料对甲苯的选择性。
谱仪测定了每次采样时气体组分中特定甲苯和水分的浓度变化。测试采样温度在298K,操作压力0.1
可能是因为甲苯的人口浓度远高于水的人口浓
度,有待进一步研究。
采样浓度分别为55mg/L、12mg/L,水与甲苯入口
376
化学研究与应用
第23朱
剂有机链越长、支链越多其对硅胶疏水效果越好,则在甲苯、水的二组分体系中对于甲苯在硅胶表面的富集越有利,可提高其对甲苯的吸附选择性。
3
结论
(1)从试验现象看,硅胶对甲苯的吸附过程符
合微孑L填充理论,应以物理吸附为主。
(2)长链的硅烷改性剂(十六烷基三甲氧基硅参考文献:[1]NoeldeN.AirPollutionControl
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万方数据
烷改性、辛基三乙氧基硅烷改性)有利于提高改性硅胶对甲苯的饱和吸附能力。相比较而言。硅烷改性剂有机链越短,越易进入硅胶孔道内部而减
小其对甲苯的吸附能力。
(3)硅胶经长链硅烷嫁接改性处理后,对甲苯、水二组分体系吸附过程表现出较好的选择性,因此改性剂的有机链长短是影响改性硅胶吸附选
择性的重要因素之一。
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(责任编辑钟安永)
硅胶的表面硅烷化处理及其吸附性能研究
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
王力, 王小楠, 苏涛, 朱丽丽, WANG Li, WANG Xiao-nan, SU Tao, ZHU Li-li山东科技大学,化学与环境工程学院,山东青岛,266510化学研究与应用
CHEMICAL RESEARCH AND APPLICATION2011,23(3)
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