高比表面炭材料的制备及其在污水处理中的应用

袁洪晶，霍维涛，王彦娜 ，梁慧锋，白素英

(邢台学院 化学与化工学院，河北 邢台 054001)

高比表面炭材料因大比表面能暴露出更多的活性点而在应用中表现出更为优异的性能[1]。目前已有多项技术用于大比表面炭材料的合成。如蒋宝城[2]以石油焦作为炭源合成了高比表面活性炭，通过对产物进行的表征显示，活化温度对吸附性能的影响最大，碱焦比次之，活化时间再次之，混合方式影响最小。刘钢[3]采用溶胶凝胶法，以柠檬酸、蔗糖作为碳源，合成了炭材料用于醚化反应中，通过固定床连续流动装置可知反应的活性较高，表明合成的炭材料催化剂的催化性能较好。

污水中的重金属具有毒性大、易富集、不易降解等特点，给人们的生命健康带来极大的威胁。在众多去除重金属离子的办法中，吸附法因使用便捷、成本低、可再生，被认为是处理低浓度重金属离子最有效的方法[4]。高比表面炭材料发达的孔隙、大的比表面积和稳定的化学性质被认为是很有潜力的吸附剂[5]。

本论文采用溶胶凝胶法，以檬酸、蔗糖为碳源制备了一种大比表面的炭材料，并考察了其对水中铜离子的吸附性能。

1 实验内容

1.1 高比表面炭材料的合成

称取48 g硝酸铝，一定量的柠檬酸和蔗糖于三颈瓶中，加入200 mL蒸馏水，搅拌至固体完全溶解。逐滴加入8.7 mL 85%的磷酸，用10%的氨水调节体系pH值=5.0。磁力搅拌5 h后，363K恒温水浴干燥得固体。将固体研磨粉碎，在300℃马费炉中炭化10 min后，取出转到氮气状态下焙烧6 h得到黑色固体。黑色固体用4 mol/L的硝酸处理4 h(每1 g炭加4 mol/L的硝酸10 mL)，抽滤洗涤后在100℃干燥12 h[6]。

其中以柠檬酸为碳源的记为NC-1；以柠檬酸和蔗糖作为碳源的记为NC-2，不同比例的柠檬酸和蔗糖分别记为NC-2a、NC-2b和NC-2c；以蔗糖作为碳源的记为NC-3。合成过程中各物质的加入量见表1。

表1 不同的炭材料合成过程中各物质的加入量表

1.2 吸附性能评价

向具塞锥形瓶中准确移取一定浓度的铜离子溶液。向瓶中加入0.1 g的炭材料，将其放于恒温水浴振荡器中。室温下吸附一定时间后，把吸附后的溶液过滤于试管中。用原子吸收分光光度计测定剩余的铜离子浓度，并根据下式计算铜离子的吸附量：

上式中，C0为铜离子的初始浓度(mg/L)；C为吸附完成后铜离子的浓度(mg/L)；m为NC-2c的用量(g)。

2 结果与讨论

2.1 X射线衍射(XRD)分析

图1是所合成炭材料的X射线衍射谱图，由图可得，在20～30°之间出现了一个较宽的衍射峰，为石墨结构的衍射峰。另外，还有三个比较尖锐的衍射峰在40～50°、60～70°以及70～80°之间，说明有少许石墨粒子存在。其中，NC-2b、NC-1的峰较小，说明存在的石墨粒子较少[3]。

图1 高比表面炭材料的XRD图

2.2 氮气吸附表征

表2是合成的炭材料的氮气吸附表征。可以看出，随着蔗糖量的增加，比表面在逐渐增加。在以蔗糖作为碳源的NC-3中，炭材料的比表面增加到1368 m2/g。氮吸附结果表明，采用溶胶凝胶法，以磷酸铝为硬模板剂，以柠檬酸和蔗糖为碳源合成了高比表面的炭材料。

表2 合成的炭材料的孔结构

2.3 红外光谱(FTIR)分析

图2是所合成的炭材料的红外光谱图，从图中可以看出，在波数为1660 cm-1、1381 cm-1附近有特征吸收峰。1660 cm-1附近的是羧基的振动峰，1381 cm-1处为醚键中C-O的伸缩振动峰。其中，1700～2300 cm-1范围内出现的谱带可能是羧基、内酯、酐和醌基等基团振动信号叠加所形成的[7]。红外结果表明合成的炭材料表面有丰富的官能团。

图2 高比表面炭材料的红外吸收光谱图

2.4 炭材料的吸附性能

2.4.1 吸附时间的影响

图3为NC-2c 在80 mg/L的铜离子溶液中吸附时间对吸附性能的影响。由图可知，所合成的炭材料对铜离子的吸附量随着时间的增长而增大，在240 min以后吸附量变化较小。

图3 时间对铜离子吸附量的影响

2.4.2 铜离子初始浓度的影响

图4考察了铜离子初始浓度对NC-2c在吸附中吸附性能的影响。由图可知，当初始浓度越大NC-2c对铜离子的吸附能力逐渐增大，但在铜离子初始浓度80 mg/L之后，吸附效果增加趋势变小，因此控制铜离子的初始浓度为一个较大的值，优化其他影响因素，探究吸附最佳条件。

图4 初始浓度对铜离子吸附量的影响

2.4.3 高比表面炭材料的吸附性能比较

图5 高比表面炭材料的比较

图5为几种炭材料对铜离子中的吸附性能。结果表明，合成的炭材料随着铜离子浓度的增大对其吸附量都会增加，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。当铜离子的初始浓度为80 mg/L时，NC-1、NC-2a、NC-3、NC-2c、NC-2b的吸附量分别为7.442、6.760、5.771、4.499、4.488 mg/g，说明蔗糖的增加并没有提升对铜离子的吸附。

3 实验结论

采用溶胶凝胶法，以柠檬酸和蔗糖为炭源，以磷酸铝材料作为硬模板剂合成了高比表面炭材料，比表面在738～1368 m2/g之间，碳源的种类和比例均对比表面有较大影响。该材料对铜离子的吸附实验结果表明，吸附时间在240 min，铜离子初始浓度在较高浓度范围(70～100 mg/L)为评价炭材料吸附性能的较优条件。当铜离子的初始浓度为80 mg/L，吸附时间为4 h时，以柠檬酸为碳源的NC-1表现出了最优异的性能，吸附量为7.442 mg/g。