苯乙醇和茴香醚在含Fe蚕沙基生物碳材料的储香与释放性能研究
发布时间：2021-06-28 22:38
选用桑蚕废弃物蚕沙为碳源,利用ZnCl2和FeCl2作为活化剂,通过一步合成法获得一种Fe掺杂高石墨化多孔生物炭材料Fe/Z-ASE,并测定香精化合物分子苯乙醇和茴香醚在Fe/Z-ASE上的吸附和缓释动力学行为,然后再通过量子化学计算分析苯乙醇、茴香醚与Fe/Z-ASE的作用关系以及苯乙醇、茴香醚分子间作用力。结果发现:蚕沙多孔炭Fe/Z-ASE孔隙结构发达,表面石墨化碳含量高,Fe元素分布均匀,其BET比表面积为950.9 m2/g且中孔占60%以上,是一种表面疏水并呈现弱极性的多级孔生物炭材料;在苯乙醇和茴香醚的扩散和控释过程中,茴香醚具有比苯乙醇更高的吸附量（510 mg/g）和扩散动力学常数(1.7×10-2min-1),而且在不同初始茴香醚吸附量下（150～500 mg/g）其都能获得较好的控释效果。随后通过密度泛函DFT模拟计算可知,茴香醚和苯乙醇都是弱碱,能与Fe/Z-ASE材料上的弱酸性吸附位（Fe-C）产生相互作用,而且由于茴香醚的碱性更弱,所以与Fe/Z-A...
【文章来源】：化工学报. 2020,71(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
Fe/Z-ASE的SEM和EDS元素分布图
图2为Fe/Z-ASE材料的XRD谱图。从图中可以看出，在Zn Cl2和Fe Cl2的催化作用下，炭材料在2θ=26°出现明显的石墨化碳(002)衍射峰[20]，这表明材料的高石墨化程度使Fe/Z-ASE表面呈现较高的疏水性，这有利于吸附非极性或极性较弱的香精化合物分子。此外，除了石墨化峰外，还在2θ=35°、45°和2θ=41°、47°出现了尖锐的Fe3C和Fe5C2的衍射峰[21-22]，这是Fe Cl2在高温活化过程中与材料表面的C元素生成的Fe-C晶格结构。Fe3C与Fe5C2可以作为弱极性的酸性位点，提高对弱极性香精化合物分子的结合力。而且，材料较高的石墨化程度可以增强材料的导热性能，利于材料的热传导和对香精化合物分子的脱附。图3为Fe/Z-ASE材料的N2吸附-脱附等温线和DFT孔径分布。从图3可以看出Fe/Z-ASE材料为典型的TypeⅣ型等温吸附线。随着相对压力的升高，材料对N2的吸附容量呈现出逐渐升高的趋势，在P/P0=0.5～1.0的范围内还出现了明显的回滞环，而且从孔径分布数据也可以看出该材料具有较宽的孔径范围(6.7～34.1?)，说明Fe/Z-ASE具有中/微孔并存结构。通过对表1的Fe/Z-ASE的孔数据分析也可以看出，该材料的BET比表面积达到950.9m2/g，其中微孔比表面积为347.5 m2/g，微孔比表面积只占总比表面积的36.5%，这种中/微孔并存结构非常有利于提高香精化合物分子在炭表面的扩散和吸附，并为材料储香后的缓释提供了丰富的交互通道。
式中，Qt、Qe分别为t时刻和平衡时吸附量，mg/g;k表示吸附速率常数，min-1。从图中的拟合结果可以看出，拟一级动力学方程对苯乙醇和茴香醚在Fe/Z-ASE材料上的吸附动力学行为拟合较好，茴香醚的扩散动力学常数为1.7×10-2min-1，是苯乙醇的5.7倍。基于以上分析可知，Fe/Z-ASE对茴香醚的吸附性能优于苯乙醇，不仅具有更高的吸附容量，而且具有较快的吸附速度。对比茴香醚和苯乙醇的分子结构可以发现，它们都具有一个苯环，其分子尺寸也比较相似。然而，茴香醚所含醚基比苯乙醇所含羟基更容易给苯环提供电子，所以茴香醚能与Fe/Z-ASE形成更强的π-π作用力[24-25]。因此，茴香醚在以疏水性表面为主的Fe/Z-ASE材料上具有更快吸附速率和更高的吸附容量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于反向机器学习的调香设计方法[J]. 王璐,毛海涛,张磊,刘琳琳,都健. 化工学报. 2019(12)
[2]中高温环境下VOCs在活性炭上的吸附性能研究[J]. 张智,马修卫,李津津,杨林军. 化工学报. 2019(12)
[3]超声波辅助粉煤灰去除水中亚甲基蓝染料的动力学分析[J]. 陈岚,权宇珩,李志勇,岳鹏飞. 化工学报. 2019(07)
[4]烟用香精香料研究现状与发展趋势[J]. 高海有,刘秀明,高莉,郭青,雷声,郑新涛. 香料香精化妆品. 2019(02)
[5]硅胶嵌入多孔纸基对苯蒸气吸附性能[J]. 李龙,葛天舒,吴宣楠,代彦军. 化工学报. 2019(03)
[6]蚕沙基多孔炭表面氧化改性对农药噻虫嗪吸附及缓控释影响[J]. 武煜翔,王欣辉,柴坤刚,林国友,赵祯霞,赵钟兴. 化工学报. 2018(06)
[7]葡萄糖基多孔碳材料对CO2/CH4的分离性能[J]. 王丽,王兴杰,李浩,陈永伟,李忠. 化工学报. 2018(02)
[8]茴香醚在葡萄糖基多孔碳材料上缓释机理[J]. 周枫,李智宇,李根,江涛,者为,黄艳,卢真保,李忠. 化工学报. 2017(12)
[9]我国香精香料工业的现状与分析[J]. 姚瑞雄. 食品安全导刊. 2017(18)
[10]基于离子液体的“可设计性”和“软酸”性质萃取分离电镀污泥中Cr6+/Fe3+[J]. 魏君怡,李勇,薛向欣. 化工学报. 2017(09)
硕士论文
[1]新型多孔固体卷烟2-环戊烯酮缓释材料研制[D]. 黄奕瑕.华南理工大学 2015
本文编号：3255158
【文章来源】：化工学报. 2020,71(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
Fe/Z-ASE的SEM和EDS元素分布图
图2为Fe/Z-ASE材料的XRD谱图。从图中可以看出，在Zn Cl2和Fe Cl2的催化作用下，炭材料在2θ=26°出现明显的石墨化碳(002)衍射峰[20]，这表明材料的高石墨化程度使Fe/Z-ASE表面呈现较高的疏水性，这有利于吸附非极性或极性较弱的香精化合物分子。此外，除了石墨化峰外，还在2θ=35°、45°和2θ=41°、47°出现了尖锐的Fe3C和Fe5C2的衍射峰[21-22]，这是Fe Cl2在高温活化过程中与材料表面的C元素生成的Fe-C晶格结构。Fe3C与Fe5C2可以作为弱极性的酸性位点，提高对弱极性香精化合物分子的结合力。而且，材料较高的石墨化程度可以增强材料的导热性能，利于材料的热传导和对香精化合物分子的脱附。图3为Fe/Z-ASE材料的N2吸附-脱附等温线和DFT孔径分布。从图3可以看出Fe/Z-ASE材料为典型的TypeⅣ型等温吸附线。随着相对压力的升高，材料对N2的吸附容量呈现出逐渐升高的趋势，在P/P0=0.5～1.0的范围内还出现了明显的回滞环，而且从孔径分布数据也可以看出该材料具有较宽的孔径范围(6.7～34.1?)，说明Fe/Z-ASE具有中/微孔并存结构。通过对表1的Fe/Z-ASE的孔数据分析也可以看出，该材料的BET比表面积达到950.9m2/g，其中微孔比表面积为347.5 m2/g，微孔比表面积只占总比表面积的36.5%，这种中/微孔并存结构非常有利于提高香精化合物分子在炭表面的扩散和吸附，并为材料储香后的缓释提供了丰富的交互通道。
式中，Qt、Qe分别为t时刻和平衡时吸附量，mg/g;k表示吸附速率常数，min-1。从图中的拟合结果可以看出，拟一级动力学方程对苯乙醇和茴香醚在Fe/Z-ASE材料上的吸附动力学行为拟合较好，茴香醚的扩散动力学常数为1.7×10-2min-1，是苯乙醇的5.7倍。基于以上分析可知，Fe/Z-ASE对茴香醚的吸附性能优于苯乙醇，不仅具有更高的吸附容量，而且具有较快的吸附速度。对比茴香醚和苯乙醇的分子结构可以发现，它们都具有一个苯环，其分子尺寸也比较相似。然而，茴香醚所含醚基比苯乙醇所含羟基更容易给苯环提供电子，所以茴香醚能与Fe/Z-ASE形成更强的π-π作用力[24-25]。因此，茴香醚在以疏水性表面为主的Fe/Z-ASE材料上具有更快吸附速率和更高的吸附容量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于反向机器学习的调香设计方法[J]. 王璐,毛海涛,张磊,刘琳琳,都健. 化工学报. 2019(12)
[2]中高温环境下VOCs在活性炭上的吸附性能研究[J]. 张智,马修卫,李津津,杨林军. 化工学报. 2019(12)
[3]超声波辅助粉煤灰去除水中亚甲基蓝染料的动力学分析[J]. 陈岚,权宇珩,李志勇,岳鹏飞. 化工学报. 2019(07)
[4]烟用香精香料研究现状与发展趋势[J]. 高海有,刘秀明,高莉,郭青,雷声,郑新涛. 香料香精化妆品. 2019(02)
[5]硅胶嵌入多孔纸基对苯蒸气吸附性能[J]. 李龙,葛天舒,吴宣楠,代彦军. 化工学报. 2019(03)
[6]蚕沙基多孔炭表面氧化改性对农药噻虫嗪吸附及缓控释影响[J]. 武煜翔,王欣辉,柴坤刚,林国友,赵祯霞,赵钟兴. 化工学报. 2018(06)
[7]葡萄糖基多孔碳材料对CO2/CH4的分离性能[J]. 王丽,王兴杰,李浩,陈永伟,李忠. 化工学报. 2018(02)
[8]茴香醚在葡萄糖基多孔碳材料上缓释机理[J]. 周枫,李智宇,李根,江涛,者为,黄艳,卢真保,李忠. 化工学报. 2017(12)
[9]我国香精香料工业的现状与分析[J]. 姚瑞雄. 食品安全导刊. 2017(18)
[10]基于离子液体的“可设计性”和“软酸”性质萃取分离电镀污泥中Cr6+/Fe3+[J]. 魏君怡,李勇,薛向欣. 化工学报. 2017(09)
硕士论文
[1]新型多孔固体卷烟2-环戊烯酮缓释材料研制[D]. 黄奕瑕.华南理工大学 2015
本文编号：3255158
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