高比表面炭材料的制備及其在污水處理中的應用

袁洪晶，霍維濤，王彥娜 ，梁慧鋒，白素英

(邢臺學院 化學與化工學院，河北 邢臺 054001)

高比表面炭材料因大比表面能暴露出更多的活性點而在應用中表現出更為優異的性能[1]。目前已有多項技術用于大比表面炭材料的合成。如蔣寶城[2]以石油焦作為炭源合成了高比表面活性炭，通過對產物進行的表征顯示，活化溫度對吸附性能的影響最大，堿焦比次之，活化時間再次之，混合方式影響最小。劉鋼[3]采用溶膠凝膠法，以檸檬酸、蔗糖作為碳源，合成了炭材料用于醚化反應中，通過固定床連續流動裝置可知反應的活性較高，表明合成的炭材料催化劑的催化性能較好。

污水中的重金屬具有毒性大、易富集、不易降解等特點，給人們的生命健康帶來極大的威脅。在眾多去除重金屬離子的辦法中，吸附法因使用便捷、成本低、可再生，被認為是處理低濃度重金屬離子最有效的方法[4]。高比表面炭材料發達的孔隙、大的比表面積和穩定的化學性質被認為是很有潛力的吸附劑[5]。

本論文采用溶膠凝膠法，以檬酸、蔗糖為碳源制備了一種大比表面的炭材料，并考察了其對水中銅離子的吸附性能。

1 實驗內容

1.1 高比表面炭材料的合成

稱取48 g硝酸鋁，一定量的檸檬酸和蔗糖于三頸瓶中，加入200 mL蒸餾水，攪拌至固體完全溶解。逐滴加入8.7 mL 85%的磷酸，用10%的氨水調節體系pH值=5.0。磁力攪拌5 h后，363K恒溫水浴干燥得固體。將固體研磨粉碎，在300℃馬費爐中炭化10 min后，取出轉到氮氣狀態下焙燒6 h得到黑色固體。黑色固體用4 mol/L的硝酸處理4 h(每1 g炭加4 mol/L的硝酸10 mL)，抽濾洗滌后在100℃干燥12 h[6]。

其中以檸檬酸為碳源的記為NC-1；以檸檬酸和蔗糖作為碳源的記為NC-2，不同比例的檸檬酸和蔗糖分別記為NC-2a、NC-2b和NC-2c；以蔗糖作為碳源的記為NC-3。合成過程中各物質的加入量見表1。

表1 不同的炭材料合成過程中各物質的加入量表

1.2 吸附性能評價

向具塞錐形瓶中準確移取一定濃度的銅離子溶液。向瓶中加入0.1 g的炭材料，將其放于恒溫水浴振蕩器中。室溫下吸附一定時間后，把吸附后的溶液過濾于試管中。用原子吸收分光光度計測定剩余的銅離子濃度，并根據下式計算銅離子的吸附量：

上式中，C0為銅離子的初始濃度(mg/L)；C為吸附完成后銅離子的濃度(mg/L)；m為NC-2c的用量(g)。

2 結果與討論

2.1 X射線衍射(XRD)分析

圖1是所合成炭材料的X射線衍射譜圖，由圖可得，在20～30°之間出現了一個較寬的衍射峰，為石墨結構的衍射峰。另外，還有三個比較尖銳的衍射峰在40～50°、60～70°以及70～80°之間，說明有少許石墨粒子存在。其中，NC-2b、NC-1的峰較小，說明存在的石墨粒子較少[3]。

圖1 高比表面炭材料的XRD圖

2.2 氮氣吸附表征

表2是合成的炭材料的氮氣吸附表征。可以看出，隨著蔗糖量的增加，比表面在逐漸增加。在以蔗糖作為碳源的NC-3中，炭材料的比表面增加到1368 m2/g。氮吸附結果表明，采用溶膠凝膠法，以磷酸鋁為硬模板劑，以檸檬酸和蔗糖為碳源合成了高比表面的炭材料。

表2 合成的炭材料的孔結構

2.3 紅外光譜(FTIR)分析

圖2是所合成的炭材料的紅外光譜圖，從圖中可以看出，在波數為1660 cm-1、1381 cm-1附近有特征吸收峰。1660 cm-1附近的是羧基的振動峰，1381 cm-1處為醚鍵中C-O的伸縮振動峰。其中，1700～2300 cm-1范圍內出現的譜帶可能是羧基、內酯、酐和醌基等基團振動信號疊加所形成的[7]。紅外結果表明合成的炭材料表面有豐富的官能團。

圖2 高比表面炭材料的紅外吸收光譜圖

2.4 炭材料的吸附性能

2.4.1 吸附時間的影響

圖3為NC-2c 在80 mg/L的銅離子溶液中吸附時間對吸附性能的影響。由圖可知，所合成的炭材料對銅離子的吸附量隨著時間的增長而增大，在240 min以后吸附量變化較小。

圖3 時間對銅離子吸附量的影響

2.4.2 銅離子初始濃度的影響

圖4考察了銅離子初始濃度對NC-2c在吸附中吸附性能的影響。由圖可知，當初始濃度越大NC-2c對銅離子的吸附能力逐漸增大，但在銅離子初始濃度80 mg/L之后，吸附效果增加趨勢變小，因此控制銅離子的初始濃度為一個較大的值，優化其他影響因素，探究吸附最佳條件。

圖4 初始濃度對銅離子吸附量的影響

2.4.3 高比表面炭材料的吸附性能比較

圖5 高比表面炭材料的比較

圖5為幾種炭材料對銅離子中的吸附性能。結果表明，合成的炭材料隨著銅離子濃度的增大對其吸附量都會增加，其中，NC-2c、NC-2b的吸附性能接近，其次是NC-3、NC-2a，最佳的是NC-1。當銅離子的初始濃度為80 mg/L時，NC-1、NC-2a、NC-3、NC-2c、NC-2b的吸附量分別為7.442、6.760、5.771、4.499、4.488 mg/g，說明蔗糖的增加并沒有提升對銅離子的吸附。

3 實驗結論

采用溶膠凝膠法，以檸檬酸和蔗糖為炭源，以磷酸鋁材料作為硬模板劑合成了高比表面炭材料，比表面在738～1368 m2/g之間，碳源的種類和比例均對比表面有較大影響。該材料對銅離子的吸附實驗結果表明，吸附時間在240 min，銅離子初始濃度在較高濃度范圍(70～100 mg/L)為評價炭材料吸附性能的較優條件。當銅離子的初始濃度為80 mg/L，吸附時間為4 h時，以檸檬酸為碳源的NC-1表現出了最優異的性能，吸附量為7.442 mg/g。