基于多巴胺改性活性炭及其吸附甲醛性能研究

耿宏伟，谢艳亭，郝文姝，陈燕，李彩霞

(朔州陶瓷职业技术学院，山西 朔州 036000)

0 引言

随着经济技术的发展、社会的进步和生活水平的不断提高，各种类型的室内装饰越来越受欢迎，人们越来越关注自己的居住环境，这引发了一波室内装饰热潮。室内装饰材料种类繁多，各种添加剂的使用也越来越广泛。由脲醛树脂和酚醛树脂粘合而成的人造板含有游离甲醛，在室温下可以释放到空气中。同时，由于室内气密性的提高和空调、加湿器等新型电器的普及，室内装修带来的污染物无法及时消除，导致室内环境污染日益严重。常见的室内空气污染物如甲醛、苯、氨等挥发性有机化合物。其中，甲醛因其来源广、污染时间长、毒性大，已成为室内污染的首要污染物，越来越受到人们的关注[1-3]。

目前最常用的吸附剂有：颗粒活性碳、活性炭纤维、分子筛、活性氧化铝、多孔粘土矿石、硅胶、沸石等。与树脂、硅胶、沸石等吸附剂相比，活性炭具有许多独特且不可替代的特性。活性炭具有不同的孔径分布和孔隙形状；化学性质稳定，能耐酸、耐碱，能在较大的酸碱度范围内应用；活性炭不溶于水和其他溶剂，可以在水溶液和许多溶剂中使用[4]。

而且活性炭有较发达的孔隙结构，孔径分布范围较广，具有孔径大小不同的孔隙，能吸附分子大小不同的各种物质。其表面积大，炭粒中还有更细小的孔，称为毛细管。其有很强的吸附能力，能与气体(杂质)充分接触。当气体碰到毛细管就会被吸附，从而起到起净化作用，包括去除异味和某些液体的颜色等。活性炭正是由为这些优点被广泛应用于治理水体，空气，土壤等环境中有机，无机，细菌及尘埃等污染物[5-6]。由于活性炭的应用领域还在不断扩大，这就对其性能也提出了更严格的要求，在“高吸附、多功能、高强度”的总要求下，降低活性炭的使用成本，扩大使用范围，提高利用率成为新的发展趋势[7]。由于目前市场上的活性炭种类少，技术含量低，缺少功能化、高品质的专用活性炭。而采用某种可行的途径对其进行表面改性，可以达到实际应用的目的[8]。

而多巴胺可以沉积在几乎任何物质表面，只要将基底材料放置在pH 值为8.5 的多巴胺-Tris 缓冲溶液中就可在基底表面沉积一层PDA 薄膜。这种方法对基底材料的形状、尺寸、组成和表面性能都没有要求[9-10]。究其原理是由于将固体材料浸入碱性的多巴胺溶液中，在氧气的作用下，多巴胺发生自聚合反应，而且PDA 薄膜的厚度与反应时间、多巴胺溶液的浓度以及反应温度都有关系，不同的反应条件得到的PDA 薄膜的厚度从几个纳米到几十个纳米不等[11-12]。该方法条件温和，对材料的形状、大小均无限制，且对材料本身的性质无破坏。有研究表明，PDA 薄膜的厚度随反应时间的延长而逐渐增加，所以，PDA 薄膜的厚度可通过反应时间来调控[13-15]。

本文针对不同形状的活性炭做了多巴胺改性，将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。可以广泛应于建筑材料中，针对目前房屋、家具甲醛问题有着广泛的应用前景。

1 实验部分

1.1 pH 值为8.5的多巴胺-Tris 缓冲溶液配置

(1)将1.514 g Tris 固体粉末加入到50 mL 蒸馏水中，然后加入0.32 mL 盐酸搅拌10 min,后再加入250 mL 蒸馏水搅拌10 min 后得到pH 值为8.5 的Tris 缓冲溶液。

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

1.2 多巴胺改性活性炭

将颗粒活性炭、柱状活性炭、破碎活性炭分别称量2 g 加入到100 mL 多巴胺-Tris 缓冲溶液中，保鲜膜封口将其在室温下搅拌24 h 后用蒸馏水洗涤或透析至中性(pH=7)，烘干后得到多巴胺改性后产物。

1.3 改性前后活性炭吸附甲醛气体测试

1.3.1 吸附装置气密性测试

将甲醛溶液取0.2 mL 于密闭容器中，待其挥发为甲醛气体。采用甲醛吸附仪测定其初始甲醛浓度，后连续测量120 min，分别记录其甲醛浓度，以此测量容器气密性。经测试发现甲醛浓度在120 min 内基本保持稳定，说明装置气密性良好，可进行下一步实验。

1.3.2 甲醛吸附测试

将甲醛溶液取0.2 mL 于密闭容器中，待其挥发为甲醛气体。向密闭容器内投入0.01 g 不同种类活性炭(颗粒活性炭、柱状活性炭、破碎活性炭)，记录120 min内甲醛浓度的变化。

采用同样方法，将多巴胺改性后的不同活性炭称取相同质量投入密闭容器中，测得120 min 内甲醛的浓度变化。

2 结果与讨论

2.1 多巴胺改性前后活性炭SEM 分析

如图1(a) 所示，改性前破碎活性炭表面沟壑较多，存在部分破碎后的碎片，孔隙不明显；如图1(b)所示，经过改性后的破碎活性炭表面较平整，没有突出的碎片阻挡孔隙，而且在表面及孔隙内全部包覆了一层聚多巴胺涂层。

图1 破碎活性炭SEM

如图2(a) 所示，可以看出柱状活性炭表面孔隙没有破碎后的密集，而且存在较多碎片堆积导致孔隙不明显甚至阻挡了部分孔隙；如图2(b)所示，改性之后的柱状活性炭表面沟壑基本消失，即使存在堆叠，但之间仍有缝隙，孔隙较改性前明显且密集。

图2 柱状活性炭SEM

如图3(a)和3(b)所示，球形活性炭改性前表面较平整，且比较光滑；改性后表面出现裂纹，这是由于多巴胺在聚合过程中出现局部收缩而导致的龟裂现象；如图3(c) 和3(d) 所示，而且看到改性后的球形活性炭表面较为粗糙，这是由于多巴胺发生氧化聚合反应形成的聚多巴胺粘附在其表面形成的。

图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

如图4 所示，改性前后破碎活性炭吸附甲醛整体速率呈现出明显的差距。可以看出，改性后最高吸附量可以达到未改性前的两倍。而改性后当1.5 h 后达到最高吸附值，后出现下降，但最终稳定在300.65 mg/g，改性后甲醛吸附量较改性前提高了74.1%。

图4 破碎活性炭改性前后吸附甲醛性能曲线

如图5 所示，柱状活性炭多巴胺改性前后吸附甲醛能力有明显提高，最高吸附量从20.6 mg/g 提高到35.7 mg/g，相较改性前提高了73.3%。发现当吸附量达到最高后曲线出现下滑，这是由于在达到饱和吸附量后出现了解吸现象，但最终都会稳定在一个值附近。

图5 柱状活性炭改性前后吸附甲醛性能曲线

如图6 所示，球形活性炭吸附能力明显高于柱状活性炭的吸附能力，可以看到，球形活性炭最高吸附量可以达到柱状活性炭的十倍左右，这是由于球形活性炭的体积较小，其表面可以充分的包覆聚多巴胺。而且可以发现改性后的吸附能力较改性前提高了26.8%。

图6 球形活性炭改性前后吸附甲醛性能曲线

3 结语

通过多巴胺改性三种不同形状的活性炭，可以发现改性后活性炭的吸附甲醛能力较之前有了明显提高，而且聚多巴胺的反应活性为材料表面的二次修饰及多功能化又提供了理想的平台，为在材料表面接枝生物活性分子提供了一种简单而高效的途径。