納米纖維活性炭用于對氯苯酚吸附

高 雨，王 將

（武漢工程大學化學與環境工程學院,教育部綠色化工過程重點實驗室,湖北 武漢 430205）

酚類化合物是重要的化工原料[1]。由于其毒性大且在環境中存在持久性長，我國環保部門和美國國家環保署將其列為優先污染物。活性炭化學穩定性好，是最常用的吸附劑之一[2,3]。實驗表明，對氯苯酚在活性炭上的吸附受活性炭的比表面積、孔結構分布和表面官能團的影響[4]。本實驗以細菌纖維素為前驅體通過氨氣活化制備新型活性炭，研究其對對氯苯酚的吸附特性。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與設備

材料：細菌纖維素膜，海南椰國食品有限公司提供。對氯苯酚（p-CP）、活性炭、氯化鈉、氯化鈣、鹽酸和氫氧化鈉從國藥化學試劑有限公司購買。

設備：紫外可見分光光度計（Cary 60，安捷倫），SHA-CA型水浴恒溫振蕩器（蘇珀儀器），管式電阻爐（OTF-1200X-60，合肥科晶），酸度計（pHS22，上海雷磁）。

1.2 實驗方法

1.2.1 吸附劑準備

細菌纖維素（BC）冷凍干燥后，氮氣保護下管式爐中850℃碳化30min，制備的樣品命名為Carb-BC，氨氣氛圍下保溫30min，制備的樣品命名為Act-BC。以商業活性炭（CAC） 作為對照。

1.2.2 納米活性炭表征

通過氮氣吸附脫附測試（BET）和掃描電子顯微鏡（SEM）對樣品進行表征。

1.3 吸附等溫線

取一系列樣品瓶，分別加入相同量的吸附劑和10mL不同濃度的模擬廢水。每種吸附劑的吸附等溫線實驗均設置10種不同的初始濃度（C0），每個濃度水平下均設置平行樣品和空白對照。將所有試劑瓶在25℃水浴恒溫振蕩器上以150r/min震蕩600min，達到吸附平衡后，過濾并通過紫外可見分光光度計測量濾液的吸光度，計算吸附劑的單位吸附量和去除率。

2 結果與討論

2.1 pH值的影響

溶液的pH會對吸附劑表面官能團、吸附質的電離水平有較大影響[5]。由圖1可知，當pH≤8時，隨著pH值不斷增大，Act-BC對p-CP的吸附容量不斷增加；當pH＞8時，隨著pH值增加，吸附容量急劇下降。

圖1 不同pH對吸附的影響Fig.1 Effect of different pH on adsorption

2.2 吸附等溫線

公式（1） 和公式（2） 分別顯示了兩種常見的等溫吸附模型Freundlich和Langmuir。Langmuir模型至少具有四種不同的線性形式[6]，采用擬合相關性最佳的線性形式來確定相關系數。

圖2 (a)Langmuir模型擬合 (b)Act-BC掃描電鏡圖Fig.2 (a)Langmuir model fitting and (b)Scanning electron microscope image of Act-BC

其中KL和qmax分別是與吸附能有關的常數 (L/mg)和最大單層吸附容量 (mg/g)，KF和n分別是與吸附容量有關的常數 (mg1-nLn/g)和吸附能異質性相關常數。

Langmuir模型擬合圖比Freundlich模型擬合圖更接近實驗數據，Langmuir模型擬合的R2值都接近或高于0.990（如圖2），這表明Langmuir模型更適合。表1列出Langmuir方程式計算出的最大理論平衡吸附量（qmax）的順序為Act-BC＞CAC＞Carb-BC，Act-BC的理論最大平衡吸附容量可以達到251.2 mg/g。Carb-BC經過氨氣活化后對p-CP的吸附能力增強，從孔結構表征（表1）可以看到Act-BC的比表面積和總孔容要優于Carb-BC。雖然CAC的比表面積要大于Act-BC，但是對p-CP的吸附效果要弱于Act-BC，這可能歸因于CAC以微孔為主，雖然孔隙發達但是孔利用率較低，吸附質難以到達微孔，而Act-BC介孔比要大于CAC且三維結構吸附質易到達較淺的微孔，孔隙利用率高。

表1 吸附劑比表面積及孔結構參數和等溫線擬合參數Table 1 Specific surface area and pore structure parameters of adsorbent and Isotherm fitting parameters

3 結論

1)氨氣活化細菌纖維素制備的納米活性炭（Act-BC）呈網狀結構，具有多級孔結構，對水中對氯苯酚的吸附量高達251.2 mg/g，高于市面上傳統活性炭，具有良好的應用潛力。

2）經氨氣活化后，Act-BC存在較多微孔但總體上介孔比仍然高于CAC，雖然CAC比表面積較大但是吸附容量較低，歸因于CAC以微孔為主，孔結構利用效率低，而Act-BC纖維直徑較細且呈纖維網狀多級孔分布，使得吸附質分子更容易到達孔內表面，孔路徑變短從而提高了吸附容量。

3） Langmuir等溫線模型可以更好地描述吸附過程，該過程為均勻吸附表面上的單分子層吸附。