銅基碳氣凝膠的制備及其吸附性能研究

任滋琪，張 晨，吳 晗，亓國雯，梁 慧

(山東農業大學 化學與材料科學學院，山東 泰安 271018)

隨著工業和農業的迅猛發展，環境污染已成為嚴重的社會問題，其中尤其以水污染最為突出；其中有機污染物由于對人體健康造成不可逆轉的嚴重危害，已成為污染防控的重點對象[1]。當前處理水體污染物的主流方法是吸附法和催化氧化法[2-4]，吸附法因其操作簡單、吸附材料可循環利用等優點受到青睞。

活性炭因其制備簡單、價格低廉、比表面積大等特點而被廣泛應用于水處理技術中。目前，新型碳材料的制備與改性成為研究熱點之一，水熱碳、生物碳、碳氣凝膠等碳材料被廣泛報道[5-7]。碳氣凝膠是一種質輕、熱穩定性好、比表面積高的三維網絡結構碳材料，由于合成方法復雜、成本高、周期長等缺點限制了碳氣凝膠在水污染處理中的應用。因此，尋找經濟易得、吸附效果優異的碳氣凝膠材料勢在必行。

本文通過簡單的浸漬、煅燒成功地制備了銅基碳氣凝膠，銅氧化物均勻分散在碳氣凝膠中，為吸附亞甲基藍提供了更多的活性位點。

1 實驗

1.1 銅基碳氣凝膠的制備

將5gCuSO4溶于100mL H2O中配成硫酸銅溶液。將豆腐切小塊后放入硫酸銅溶液中浸漬24 h，整個浸漬過程在4 ℃下進行。將浸漬后的藍色豆腐于60℃下干燥6h，然后在氮氣保護下于管式爐中500℃煅燒3h。將得到的黑色銅基碳氣凝膠于研缽中研磨成粉末使用。純碳氣凝膠采用無浸漬的豆腐在相同條件下制得。

1.2 吸附性能實驗

在吸附性能測試實驗中，所有的有機染料濃度都是50mg/L。具體實驗步驟如下：取一定量的產品加入到60mL的有機染料溶液中，30℃恒溫水浴震蕩，間隔20 min取樣，離心后用0.22 μm的濾膜過濾，然后采用紫外分光光度計進行吸光度測試，并計算吸附效率。

2 結果與討論

2.1 XRD分析

圖1 銅基碳氣凝膠、碳氣凝膠的XRD圖譜Fig.1 The XRD patterns of copper carbon aerogels and carbon aerogels

圖1為銅基碳氣凝膠和純碳氣凝膠的XRD譜圖。從圖中我們可以明顯地看到，沒有浸漬的豆腐經過煅燒后全部變成了碳，而浸漬過CuSO4溶液的豆腐煅燒后的XRD圖中既有碳的峰，又有銅氧化物的峰，這表明使用該方法可以合成銅基碳氣凝膠。

2.2 SEM分析

圖2 銅基碳氣凝膠的SEM圖Fig.2 SEM images of copper carbon aerogels samples

銅基碳氣凝膠的表面如圖2a所示。從圖2a中可以看到，銅基碳氣凝膠的表面疏松多孔，并均勻的分散著粒徑幾十納米的銅氧化物顆粒。從孔隙的區域向里看(如圖2b所示)，也可以看到均勻分布的銅氧化物，這說明銅基碳氣凝膠的內部和表面一樣，都有分布均勻的銅氧化物顆粒。這些高分散度的銅氧化物顆粒極大地增加了碳氣凝膠的比表面積。

2.3 銅基碳氣凝膠對不同有機染料的吸附研究

圖3 銅基碳氣凝膠對不同有機染料的吸附性能Fig.3 Absorption of CR，MB，RhB and MO using copper carbon aerogels

圖3是銅基碳氣凝膠對不同有機染料的吸附曲線。從圖中曲線中可以看出，在前20min銅基碳氣凝膠對4種有機染料都有一定的吸附效果；羅丹明B和甲基橙在20min基本達到吸附平衡，而亞甲基藍在40min時達到吸附平衡；隨著震蕩時間的延長，剛果紅的濃度仍然在持續下降，說明此時復合物對剛果紅還未達到吸附飽和。在震蕩時間100min時，銅基碳氣凝膠對剛果紅的去除率基本達到99%。

2.4 不同吸附劑對剛果紅的吸附研究

為了探討銅基碳氣凝膠對剛果紅的吸附性能，在相同條件下進行了純碳氣凝膠、銅氧化物對剛果紅的吸附對照試驗，實驗結果如圖4所示。從圖中可以看出，銅氧化物對剛果紅基本沒有吸附；而碳氣凝膠對剛果紅具有一定的吸附能力，震蕩時間80 min時基本達到吸附平衡，碳氣凝膠對剛果紅的去除率約為55%。相較于純碳氣凝膠和銅氧化物，銅基碳氣凝膠表現出了最高的吸附性能。在100 min內，對剛果紅的去除率為99%。通過對比發現，高度分散的銅氧化物復合在碳氣凝膠上致使碳氣凝膠的比表面積變大，從而有效地增大了銅基碳氣凝膠與剛果紅的接觸面積，因此表現出了優異的吸附能力。另外，有文獻報道，銅氧化物與碳氣凝膠之間緊密的接觸可能對剛果紅的吸附提供了大量的活性位點。

圖4 銅基碳氣凝膠、碳氣凝膠和銅氧化物對剛果紅的吸附性能對比Fig.4 Comparison of adsorption properties of CR with different adsorbent (copper carbon aerogels,carbon aerogels and copper oxide)

3 結論

通過簡單的浸漬、煅燒制備的銅基碳氣凝膠，銅氧化物均勻地分散在碳氣凝膠的孔隙中。與純碳氣凝膠和銅氧化物相比，銅基碳氣凝膠對有機染料污染物剛果紅表現出了優異的吸附性能，100 min內剛果紅去除率高達99%。