活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭改性后吸附銅離子，經過實驗測試使用過氧化氫和硝酸氧化改性的活性炭吸附銅離子。制備出來的活性炭有較高的比表面積和含氧基團。發現氧化的活性炭有效地從水溶液中吸附銅離子。對于最有效的活性炭-HNO 3-30吸附劑，從不同濃度的溶液中去除銅離子的百分比很高。在濃度范圍為1.5至6×10 -4 M 2的Cu 2+，達到> 55%。在低于1.5×10 -4  M 的濃度下，預期的去除率高于80%。

　　具有許多應用的銅是支持植物和動物生長的必需微量元素。盡管如此，人體積聚過多的銅離子會造成嚴重的健康危害。但是可以通過活性炭吸附劑凈化重金屬污染的廢水。這種活性炭吸附修復滿足了對可持續性和環境友好性的各種要求。為了實現高效的離子吸收，它似乎是最合理的技術。

　　活性炭具有大的比表面積和可調的表面層性質。這些碳材料在堿性和酸性介質中顯示出高水解穩定性。通常，不同類型的孔的存在提供有利的質量傳遞。在此背景下，從水中去除重金屬離子的成功取決于活性炭表面的化學行為。據報道，表面化學對活性炭的吸附性能有顯著影響。顯然，表面的酸堿行為取決于含氧基團。在大多數情況下，表面界面調節官能團與重金屬離子的絡合。所得復合物的組成取決于表面基團的類型和濃度3。此外，可以建議這些組(在高度表面覆蓋下)可以相互作用并對吸附行為具有集體效應。因此吸附能力受許多因素的影響。

　　在大多數情況下，普通活性炭具有足夠的結構參數以利用多孔結構來凈化水。但表面官能團濃度似乎不足以用于有效吸附重金屬離子。為了增加表面基團濃度，氧化修飾是最有效和最簡單的方法。如果用諸如氧化氫和硝酸試劑處理活性炭，則可以獲得大濃度的含氧基團�？紤]到所有這些因素，我們在此報告所得活性炭吸附劑的氧化改性和物理化學性質。制備的活性炭已通過許多方法表征，包括氮氣吸附、解吸和Boehm滴定。最后，我們進行了批量吸附實驗，以檢查從水中去除Cu 2+離子的可行性。并且，估計初始金屬離子濃度對吸附容量的影響。

　　圖1.初始和氧化活性炭的典型ATR光譜。

　　活性炭吸附銅離子實驗

　　在整個實驗過程中，將50mg預干燥的活性炭樣品浸入20ml銅離子水溶液中。得到的懸浮液含有已知濃度的Cu 2+在25℃培養箱中以150轉/分鐘搖動一天。通常，對于這種類型的活性炭，吸附平衡在15-18小時內相當快速地建立。為了便于測量，選擇了24小時的時間。在固定的pH下進行吸附，通過使用NaOH溶液作為pH控制試劑將其調節至恒定值5.5。吸附后，將貧銅溶液通過濾紙在干凈的燒瓶中過濾。對過濾的溶液進行取樣以進行分光光度分析。如下所述，對來自硝酸銅(II)的含銅離子的水溶液進行分析。將取樣的5ml等分試樣移液到25ml錐形燒瓶中。向它們各自中加入2ml緩沖液(乙酸銨)溶液。所研究的溶液默認含有不超過70mg的Cu。將3ml雙環己酮、氧代二腙加入到緩沖至pH為8-9的每種溶液中。在約600nm處測量高顯色復合物與銅離子的吸收，消光系數為16,000。所有測量均在10分鐘的最佳測量延遲時間內進行。

　　我們發現活性炭樣品中呈現兩種類型的孔。小微孔的寬度范圍為1.06-1.32nm。還可以看到寬度為約3.4nm的中孔。氧化后，微孔的寬度略微增加，從初始活性炭中的約1.1nm增加到氧化活性炭中的1.2-1.3nm。用硝酸氧化導致微孔數量減少。還形成寬度為3.4nm的大孔(中孔)。在強氧化的活性炭樣品的情況下，微孔的加寬可以將一些微孔轉變成中孔。對于活性炭-HNO 3-30樣品，記錄了新微孔(孔寬度~1.7nm)的形成。

　　圖2.活性炭吸附銅離子研究(a)實驗并擬合Langmuir(b)和Freundlich(c)模型和(d)KF對CA的擬合。

　　根據這些意見，我們將總結以下事實。實際上，大分子石墨烯片段經歷氧解降解。毫無疑問，這導致了微孔壁的微裂縫。氧化破壞是快速過程，特別是在強氧化劑存在下，即使在室溫下也是如此。石墨烯類碳基質很容易被水溶液中的氧化破壞。從結構的觀點來看，氧解是微孔膨脹和新中孔出現的原因之一。在這種背景下，觀察Cu 2+的吸附等溫線， 這種等溫線顯著不同。

　　關于活性炭改性后吸附銅離子上的平衡研究的實驗數據繪制在圖2(a)中。該圖顯示最有效的吸附劑是活性炭-HNO 3-5和活性炭-HNO 3-30樣品，去除率R超過50%。在低濃度Cu 2+的范圍內，低于1.5×10-4 M，R的值高于80%。我們認為，這是由于含氧基團的高濃度。

　　評估吸附模型用于預測氧化改性活性炭的性質的適用性通常超出了以前研究的焦點。在所考慮的濃度范圍內，實驗等溫線可以適用于許多數學模型。這項研究表明，發現一些方程式可以很好地模擬吸附等溫線。盡管如此，這個活性炭吸附銅離子的結果建模僅在DR方程中具有直接的物理意義。對于模型到數據擬合而得到的非常高的R因子值以及預測的視覺檢查暗示DR模型充分描述了表面異質性并且暗示了氧化活性炭的微孔中的陽離子吸附。我們將顯著的吸附效率歸因于同時起作用的高含量吸附中心。在通過絡合吸附銅離子的機理的假設內，這些中心被指定為存在于氧化改性活性炭表面上的Cb，A和L基團。

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