碳纳米管吸附性能研究现状及高效液相色谱分析方法应用

碳纳米管吸附性能研究现状及高效液相色谱分析方法应用
 
摘要：本文主要简单介绍了碳纳米管的发展状况，以及高效液相色谱的分析方法。最后介绍本文所要研究的内容碳纳米管对水溶液中2，4-二氯苯酚的吸附脱附研究。
关键词：碳纳米管、吸附、高效液相

1 碳纳米管的介绍
 碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料，可看作是由片层结构的石墨卷成的无缝中空的纳米级同轴圆柱体，两端由富勒烯半球封帽而成。按片层石墨层数分类，可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管可看成是由单层片状石墨卷曲而成，而多壁碳纳米管可理解为不同直径的单壁碳纳米管套装而成，层与层之间距离约0.34 nm。
2 碳纳米管的应用
 活性碳纳米管(CarbonNanotubes简称CNTs)具有直径小、孔结构丰富、比表面积大、强度高、稳定性高以及吸脱附性能好等一系列优点 ，热导率是目前导热性能最好的金刚石的2倍，电流传输能力是金属铜线的1000倍，同时还有独特的金属或半导体导电性，在场发射、分子电子器件、复合材料增强体、催化剂载体、医药、环境保护、隐身材料等领域有着广泛的应用前景。短短十几年，碳纳米管在制备、结构、性能、应用等方面均取得了重大的成果[1]。
3．碳纳米管吸附性能的研究进展
 由于碳纳米管的孔腔结构，碳纳米管具有比活性炭更大的比表面积，因此理论计算其具有比活性炭更好的吸附性能，尤其作为气体吸附剂，他被认为是最好的储氢材料[2]。
 Chungsying Lu[3]等采用活化处理的单壁碳纳米管和多壁碳纳米管进行水中Zn2+的吸附实验，结果显示，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的吸附量分别为43.66mg/g和32.68mg/g，而普通活性碳的吸附量只有13.04mg/g。Xianjia Peng[4]等将氧化铈负载于混酸处理的碳纳米管上以吸附除去水中的砷酸盐，结果也显示其具有良好的砷酸盐去除功能。Yan-Hui Li[5]等采用四种硝酸活化的碳纳米管来进行铅吸附实验，最大吸附量可以达到82.6mg/g。活性碳纳米管作为模板，还可以负载上二氧化钛和银等物质[6-8]，它们都是有效的除菌剂。由于活性炭纳米管的小尺寸、高比表面积等特性，负载上的二氧化钛和银的尺寸细化，活性面充分暴露，这就能使除菌性能更好的发挥出来，因此这种二氧化钛/碳纳米管和银/碳纳米管复合材料有望成为高效的除菌材料。
 贾志杰[9]等研究了硝酸活化的碳纳米管对烟碱和焦油的吸附性能，试验结果表明，活性碳纳米管对烟碱和焦油的吸附效果分别为50.9％和81.3％，而一般活性碳的吸附效率则分别只有34.5％和60.6％，沸石的吸附效果则更差。实验数据表明活性碳纳米管具有优异的烟碱焦油吸附性能。活性碳纳米管在水处理方面的应用研究也得到了开展，结果表明其具有优异的吸附性能，能够有效地除去有害物质。RichardQ.Long等使用程序温度解吸技术对于二恶英等低挥发有机物进行吸附，梁二军，李强等人[10]研究了碳纳米管对对硝基苯酚的吸附，耿成怀等人[11]研究了碳纳米管对苯胺的吸附行为，孙明礼，成荣明等人[12]研究了碳纳米管对酚类物质的吸附。詹雪艳[13]等人研究了碳纳米管吸附香烟烟气中有害物质的研究。实验表明，碳纳米管做为吸附材料吸附烟气中的有害成分，可降低香烟的毒害，对于深度纯化处理的CNTs每支香烟加30rng时比较合适。李善评 甄博如 栾富波 张鉴达等人研究了碳纳米管对Mn2+吸附性能的研究。
 Lee[14]等采用密度函数理论预测了碳纳米管的氢吸附位和最大储氢容量。计算表明，一个开口的单壁碳纳米管有两个化学氢吸附位存在于管末端的内壁和外壁上，在SWNTs里面最大的储氢容量受到氢分子之间以及氢分子与管壁之间排斥力的限制，储氢容量随管径的增加而线性增加，而在多壁碳纳米管中储氢容量与管径无关。他们预测直径为1.3nm的单壁碳纳米管的储氢容量能够超过质量分数的14％（160kgH2·m-3）[15]。
4 高效液相色谱的分析方法
 高效液相色谱法是20世纪70年代急剧发展起来的一项高效、快速的分离分析技术。液相色谱法是指流动相为液体的色谱技术。在经典的液体色谱法基础上，引入了气相色谱法的理论，在技术上采用了高压泵、高效固定相和高灵敏度检测器，实现了分析速度快、分离效率高和操作自动化。这种柱色谱技术称做高效液相色谱法。它可用来作液固吸附，液液分配，离子交换和空间排阻色谱分析，应用非常广泛。其分离原理是由于试样组分在固定相和流动相之间的相对溶解度存在差异，因而溶质在两相之间进行分配，各组分的相对保留时间不同，则出峰时间不同，每个组分含量不同，则峰形不同，峰面积也就不同。根据原理，运用归一化法、内标法、外标法等方法，准确计算出被测组分的含量[16]。高效液相色谱法与紫外分光光度法和薄层扫描法相比，具有高效的分离，灵敏的检测和快速的分析的特点，既能用于微量组分的分析测定，又能用于大量的制备分离，是物质研究中一种非常重要的分析手段，现在HPLC己成为测定主要方法。此法作为试验的测定依据，是非常准确可靠的。
5．2,4-二氯苯酚的基本情况
    2,4-二氯苯酚是一种重要的有机化工中间产品,主要用于生产农药除草剂、医药、助剂产品，是苯酚氯代作用的一个产物。同时2,4-二氯苯酚也广泛存在于木材防腐、染料、增塑剂和农药等的生产废水中,是一类很难降解的有机化合物，具有较强的挥发性和刺激性，对生物体有致癌、致畸、致变的潜在毒性，表现为该化合物在水体与水生生物间作用，沿水生食物链进行生物富集产生的危害越来越严重，并通过食物链在人体中积累，对人群健康构成一定威胁，对人外周血淋巴细胞、小鼠睾丸细胞及脾脏细胞DNA都有损伤作用。美国、德国早已把二氯苯酚列入优先控制的129种有害物质,我国也已把二氯苯酚列入中国环境优先控制污染物“黑名单”中[17]。对2，4-二氯苯酚的定量分析通常使用高压液相色谱或色质联用装置进行。作为环境优先污染物,2,4-二氯苯酚具有较低的水溶解性和较高的辛醇-水分配系数,这一典型特性直接影响其在环境大气、水体、土壤中的迁移和转化[18]。
6．本文的研究内容
 本实验主要研究的是碳纳米管对2，4-二氯苯酚的吸附性能，研究了时间、浓度、温度对吸附试验的影响，本实验采用高效液相法测定含量，准确控制试验条件（时间、浓度、温度）以及准确测定物质含量是本实验的重点，掌握高效液相色谱仪的使用方法是本实验的难点。本次试验作出的时间、浓度、温度对吸附含量的标准曲线，作为碳纳米管吸附性质的定量参考。吸附等温线用Freundlich和Langmuir方程进行拟合，并证明吸附均为放热、熵增的自发过程。脱附试验可使2，4-二氯苯酚溶液达到较高的浓度，这可以应用于污水中2，4-二氯苯酚的处理，可以先用碳纳米管吸附污水中含量很低的2，4-二氯苯酚，再用甲醇溶液洗脱，既可以得到富集的高浓度的2，4-二氯苯酚溶液，又可以将碳纳米管洗净再次利用。既可以除污又可以得到高浓度产品，具有很好实际意义。
参考文献：
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 [4] Peng Xianjia, Luan Zhaokun, Ding Jun, et al.Ceria nanoparticles supported on carbon nanotubes for the removal of arsenate from water.Materials Letters,2005,59:399～403.
 [5] Li Yan-Hui, Zhu Yanqiu, Zhao Yimin,et al.Different morphologies of carbon nanotubes effect on the lead removal from aqueous solution.Diamond & Related Materials,2006,15:90～94.
[6] Sun Jing, Gao Lian, Zhang Qinghong.TiO2 tubes synthesized by using ammonium
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 [11] 耿成怀,成荣明,徐学诚,陈弈卫.碳纳米管对苯胺的吸附行为[J].应用化学,2004,24(7):737-739.
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 [13] 詹雪艳，碳纳米管吸附香烟烟气中有害物质与对TiO2的改性研究[J]. 华中师范大学学报，2003.
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[15] 丁福臣，易玉峰.制氢储氢技术[N].北京.化学工业出版社.2006 .383-394.
[16] 朱明华.仪器分析[M].北京.高等教育出版社.2000.64-68.
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[18] 王连生.环境化学进展[M].北京:化学工业出版社,1995.