基于多巴胺改性活性炭及其吸附甲醛性能研究

耿宏偉，謝艷亭，郝文姝，陳燕，李彩霞

(朔州陶瓷職業技術學院，山西 朔州 036000)

0 引言

隨著經濟技術的發展、社會的進步和生活水平的不斷提高，各種類型的室內裝飾越來越受歡迎，人們越來越關注自己的居住環境，這引發了一波室內裝飾熱潮。室內裝飾材料種類繁多，各種添加劑的使用也越來越廣泛。由脲醛樹脂和酚醛樹脂粘合而成的人造板含有游離甲醛，在室溫下可以釋放到空氣中。同時，由于室內氣密性的提高和空調、加濕器等新型電器的普及，室內裝修帶來的污染物無法及時消除，導致室內環境污染日益嚴重。常見的室內空氣污染物如甲醛、苯、氨等揮發性有機化合物。其中，甲醛因其來源廣、污染時間長、毒性大，已成為室內污染的首要污染物，越來越受到人們的關注[1-3]。

目前最常用的吸附劑有：顆?；钚蕴?、活性炭纖維、分子篩、活性氧化鋁、多孔粘土礦石、硅膠、沸石等。與樹脂、硅膠、沸石等吸附劑相比，活性炭具有許多獨特且不可替代的特性。活性炭具有不同的孔徑分布和孔隙形狀；化學性質穩定，能耐酸、耐堿，能在較大的酸堿度范圍內應用；活性炭不溶于水和其他溶劑，可以在水溶液和許多溶劑中使用[4]。

而且活性炭有較發達的孔隙結構，孔徑分布范圍較廣，具有孔徑大小不同的孔隙，能吸附分子大小不同的各種物質。其表面積大，炭粒中還有更細小的孔，稱為毛細管。其有很強的吸附能力，能與氣體(雜質)充分接觸。當氣體碰到毛細管就會被吸附，從而起到起凈化作用，包括去除異味和某些液體的顏色等。活性炭正是由為這些優點被廣泛應用于治理水體，空氣，土壤等環境中有機，無機，細菌及塵埃等污染物[5-6]。由于活性炭的應用領域還在不斷擴大，這就對其性能也提出了更嚴格的要求，在“高吸附、多功能、高強度”的總要求下，降低活性炭的使用成本，擴大使用范圍，提高利用率成為新的發展趨勢[7]。由于目前市場上的活性炭種類少，技術含量低，缺少功能化、高品質的專用活性炭。而采用某種可行的途徑對其進行表面改性，可以達到實際應用的目的[8]。

而多巴胺可以沉積在幾乎任何物質表面，只要將基底材料放置在pH 值為8.5 的多巴胺-Tris 緩沖溶液中就可在基底表面沉積一層PDA 薄膜。這種方法對基底材料的形狀、尺寸、組成和表面性能都沒有要求[9-10]。究其原理是由于將固體材料浸入堿性的多巴胺溶液中，在氧氣的作用下，多巴胺發生自聚合反應，而且PDA 薄膜的厚度與反應時間、多巴胺溶液的濃度以及反應溫度都有關系，不同的反應條件得到的PDA 薄膜的厚度從幾個納米到幾十個納米不等[11-12]。該方法條件溫和，對材料的形狀、大小均無限制，且對材料本身的性質無破壞。有研究表明，PDA 薄膜的厚度隨反應時間的延長而逐漸增加，所以，PDA 薄膜的厚度可通過反應時間來調控[13-15]。

本文針對不同形狀的活性炭做了多巴胺改性，將多巴胺薄膜包覆在活性炭表面，并研究了其吸附甲醛的性能。可以廣泛應于建筑材料中，針對目前房屋、家具甲醛問題有著廣泛的應用前景。

1 實驗部分

1.1 pH 值為8.5的多巴胺-Tris 緩沖溶液配置

(1)將1.514 g Tris 固體粉末加入到50 mL 蒸餾水中，然后加入0.32 mL 鹽酸攪拌10 min,后再加入250 mL 蒸餾水攪拌10 min 后得到pH 值為8.5 的Tris 緩沖溶液。

(2) 每100 mL Tris 緩沖溶液加入0.2 g 多巴胺得到多巴胺-Tris 緩沖溶液(每100 mL 對應2 g 待改性物質)，按照上述量配置即加入0.6 g 多巴胺，得到300 mL 多巴胺-Tris 緩沖溶液。

1.2 多巴胺改性活性炭

將顆?；钚蕴?、柱狀活性炭、破碎活性炭分別稱量2 g 加入到100 mL 多巴胺-Tris 緩沖溶液中，保鮮膜封口將其在室溫下攪拌24 h 后用蒸餾水洗滌或透析至中性(pH=7)，烘干后得到多巴胺改性后產物。

1.3 改性前后活性炭吸附甲醛氣體測試

1.3.1 吸附裝置氣密性測試

將甲醛溶液取0.2 mL 于密閉容器中，待其揮發為甲醛氣體。采用甲醛吸附儀測定其初始甲醛濃度，后連續測量120 min，分別記錄其甲醛濃度，以此測量容器氣密性。經測試發現甲醛濃度在120 min 內基本保持穩定，說明裝置氣密性良好，可進行下一步實驗。

1.3.2 甲醛吸附測試

將甲醛溶液取0.2 mL 于密閉容器中，待其揮發為甲醛氣體。向密閉容器內投入0.01 g 不同種類活性炭(顆?；钚蕴俊⒅鶢罨钚蕴?、破碎活性炭)，記錄120 min內甲醛濃度的變化。

采用同樣方法，將多巴胺改性后的不同活性炭稱取相同質量投入密閉容器中，測得120 min 內甲醛的濃度變化。

2 結果與討論

2.1 多巴胺改性前后活性炭SEM 分析

如圖1(a) 所示，改性前破碎活性炭表面溝壑較多，存在部分破碎后的碎片，孔隙不明顯；如圖1(b)所示，經過改性后的破碎活性炭表面較平整，沒有突出的碎片阻擋孔隙，而且在表面及孔隙內全部包覆了一層聚多巴胺涂層。

圖1 破碎活性炭SEM

如圖2(a) 所示，可以看出柱狀活性炭表面孔隙沒有破碎后的密集，而且存在較多碎片堆積導致孔隙不明顯甚至阻擋了部分孔隙；如圖2(b)所示，改性之后的柱狀活性炭表面溝壑基本消失，即使存在堆疊，但之間仍有縫隙，孔隙較改性前明顯且密集。

圖2 柱狀活性炭SEM

如圖3(a)和3(b)所示，球形活性炭改性前表面較平整，且比較光滑；改性后表面出現裂紋，這是由于多巴胺在聚合過程中出現局部收縮而導致的龜裂現象；如圖3(c) 和3(d) 所示，而且看到改性后的球形活性炭表面較為粗糙，這是由于多巴胺發生氧化聚合反應形成的聚多巴胺粘附在其表面形成的。

圖3 球形活性炭SEM

2.2 多巴胺改性前后活性炭吸附甲醛性能分析

如圖4 所示，改性前后破碎活性炭吸附甲醛整體速率呈現出明顯的差距?？梢钥闯?，改性后最高吸附量可以達到未改性前的兩倍。而改性后當1.5 h 后達到最高吸附值，后出現下降，但最終穩定在300.65 mg/g，改性后甲醛吸附量較改性前提高了74.1%。

圖4 破碎活性炭改性前后吸附甲醛性能曲線

如圖5 所示，柱狀活性炭多巴胺改性前后吸附甲醛能力有明顯提高，最高吸附量從20.6 mg/g 提高到35.7 mg/g，相較改性前提高了73.3%。發現當吸附量達到最高后曲線出現下滑，這是由于在達到飽和吸附量后出現了解吸現象，但最終都會穩定在一個值附近。

圖5 柱狀活性炭改性前后吸附甲醛性能曲線

如圖6 所示，球形活性炭吸附能力明顯高于柱狀活性炭的吸附能力，可以看到，球形活性炭最高吸附量可以達到柱狀活性炭的十倍左右，這是由于球形活性炭的體積較小，其表面可以充分的包覆聚多巴胺。而且可以發現改性后的吸附能力較改性前提高了26.8%。

圖6 球形活性炭改性前后吸附甲醛性能曲線

3 結語

通過多巴胺改性三種不同形狀的活性炭，可以發現改性后活性炭的吸附甲醛能力較之前有了明顯提高，而且聚多巴胺的反應活性為材料表面的二次修飾及多功能化又提供了理想的平臺，為在材料表面接枝生物活性分子提供了一種簡單而高效的途徑。