PAC—Fe3O4复合材料的合成及其吸附性能研究

牛晓斌

摘要：本论文通过化学共沉淀法合成了PAC-Fe3O4磁性活性炭，分析了所制备的磁性活性炭材料的孔结构和表面形貌，并通过其对亚甲基蓝染料的吸附实验来分析其吸附性能，主要研究分析了不同溶液pH、接触时间条件下，所合成磁性活性炭的吸附性能、去除色度的效果和材料的分离效果。研究结果表明：所制得的磁性活性炭有着均匀的表面结构，吸附性能较佳，对其吸附性能影响较大的因素是溶液的pH。并且当溶液pH等于9时，磁性活性炭达到最佳吸附效果，与亚甲基蓝溶液接触时间4.5h可以达到96%的去除率。所合成的材料与常用的污水处理剂聚合氯化铝（PAC）相比，在污水处理后更加容易进行分离，自然沉降12min就能够沉淀完全，而在外部磁力条件作用下进行回收只需30s就能快速实现分离。该合成磁性活性炭材料污水处理中具有很大的应用潜力。

关键词：磁性活性炭；合成；吸附性能；Fe3O4；PAC

Study on synthesis of PAC-Fe3O4 composite materials and

its adsorption properties

School of chemical and environmental engineering of Wuhan Polytechnic University，XiaobinNiu

Abstract：This paper synthesized PAC-Fe3O4 magnetic activated carbon by chemical coprecipitation，analysis its preparation by the pore structure and surface morphology，and through the adsorption of methylene blue dye test to analyze its adsorption performance，mainly studied the different condition of pH，contact time，the synthesis adsorption properties，the effect of removing chromaticity and material separation effect of this magnetic activated carbon .The results show that the magnetic activated carbon has uniform surface structure and good adsorption property.Moreover，when the pH of the solution is 9，the magnetic activated carbon achieves the best adsorption effect，and the removal rate can reach 96% after contact with methylene blue solution for 4.5h.Compared with polyaluminium chloride（PAC），the synthesized material is easier to be separated after sewage treatment，and can be completely precipitated after natural sedimentation of 12min. However，under the action of external magnetic force，it only takes 30s for recovery to achieve rapid separation.The synthetic magnetic activated carbon material has great potential in wastewater treatment.

Keywords：magnetic activated carbon；Synthesis；Adsorption property；Fe3O4；The PAC

1、引言

在污水處理吸附剂中，粉末活性炭是被广泛采用的，它有着比表面积大、吸附能力强的优点，特别是针对那些比较难以降解的污染物质，当采用生物法很难处理干净的时候，采用粉末活性炭可以收到更好的去除效果，因此被普遍应用在深度处理工业废水方面，从而使排放的污水可以达到国家排放标准要求。然而粉末活性炭在使用过程中也有其局限性，比如粒径较小、重量较轻导致它在实际应过程与处理后的污水比较难进行分离、易于造成流失、提高了使用的成本。因此，人们一直在探索对粉末活性炭的改性研究，使材料在使用后更加容易于污水进行分离、并且降低使用成本，从而更好地应用在工业上。其中，磁性分离就是有效的改性方法之一。粉末活性炭经过铁氧化物改性后，可以比较有效地解决分离困难等问题，而且还提高了粉末活性炭的可再生性和重复使用性，促使应用成本得到控制和降低，因此磁性活性炭是一种有效而又经济的污水处理吸附材料。近些年来，对于制备磁性活性炭的研究也是比较活跃的，然而这些研究中存在着诸如材料制备流程复杂、不利于在推广到实际应用等问题[1]。因此，研究一种简便的制备方法和工艺，以促进磁性活性炭在工业和环境保护工程中的应用，是一个很重要的课题。

磁性活性炭按照所含磁体的不同主要可以分为有铁基磁性活性炭、钴基磁性活性炭以及镍基磁性活性炭。铁基磁性活性炭跟另外两种磁性活性炭相比较而言，因为铁材料来源丰富、价格低廉且安全没毒性等优点，所以在制备磁性活性炭过程中是被实际应用最普遍的。例如，在国内，王崇琳通过将活性炭混入含有铁、镍、钴的金属盐溶液，然后在某种铵盐溶液中浸泡，在一定的温度条件下通入H2和N2，制成了磁性活性炭。在国外，Do等在100℃温度条件下通过把活性炭粉末和含有Fe（NO3）3·9H2O的硝酸溶液完全混合，然后用磁力搅拌器搅拌8h，经过过滤和脱水再通入N2，在于600℃温度条件下进行加热制备出了磁性活性炭[2]。

本论通过化学共沉淀法制备了PAC-Fe3O4复合材料磁性活性炭，该方法和其他制备磁性活性炭的方法相比较而言，具有制备工艺简单容易操作、反应效率快等优点，并且因为制备过程发生在液体环境中进，因此所制得的磁性活性炭有着均匀的表面负载物质分布。接着分析了所制备的磁性活性炭材料的孔结构和表面形貌，并用亚甲基蓝染料溶液来测试其吸附性能，研究了溶液pH、接触时间对磁性活性炭吸附性能和色度去除效果的影响以及材料与吸附的污染物物质的分离效果，对PAC-Fe3O4复合材料磁性活性炭在实际中应用的推广具有一定的参考价值。

2、磁性活性炭的制备

2.1制备方案比较和拟定

磁性载体技术指的是利用化学、物理或者表面改性等方式对磁性粒子产生作用，使金属离子、分子、或胶体粒子连接到磁性粒子上。这项技术形成于上个世纪40年代，利用微小的Fe3O4磁铁矿粒子吸附有机物分子，然后通过磁性回收的方法实现磁铁矿粒子和溶液中相分离，并进行回收利用。磁性载体技术应用的方式主要是利用聚合物包覆磁性粒子，再以此材料对有机污染物进行吸附，这项技术在污水处理中优势明显，比如可以吸附去除污水中的有毒有害污染物。磁性活性炭作为其中一种磁性载体技术，它克服了活性炭在吸附污染物后难以分离的问题，并有效降低了使用成本，并且保留了活性炭原有的孔隙率高、比表面积大等优点。

磁性活性炭的制备方法比较主要有：

（1）吸附法

吸附法先是制备出磁流体，然后将活性炭浸入于磁流体溶液中，经过一段时间搅拌后，再把多余的磁流体通过超声波或者酸洗进行清除，从而制备出磁性活性炭。吸附法制备出磁性活性炭研究的磁流体主要集中在Fe3O4和γ- Fe2O3，并以Fe3O4等几种材料上[2]。

（2）化学共沉淀法

采用化学共沉淀法制备磁性活性炭的反应过程是：2Fe（OH）2++Fe（OH）++ 3OH-→（Fe3+）2（Fe2+）（OH-）8→Fe3O4↓+4H2O。通过化学共沉淀法制备磁性活性炭具有操作简便、反应速度快等明显优势，而且因为制备过程是在液相中进行反应，因此所制得的磁性活性炭有着均匀的表面负载物质分布，效果也较为稳定[3]。

吸附法制备磁性活性炭的过程中存在着一些问题，比如大部分吸附在磁性活性炭表面的磁性粒子会产生脱落，进而还会致使孔道堵塞，对吸附效果形成不利影响。化学沉淀法是使金属离子在活性炭表面产生吸附或者渗入到活性炭内部，继而通过原位沉淀而制备出磁性粒子，这种方法制得的材料更加牢固，操作比较简便，并且不需要将磁流体分离出。因此化学共沉淀法是更加理想的制备磁性活性炭的方法，也是本研究采用的方法。

2.2磁性活性炭的制备原理与方法

（1）磁性活性炭的制备原理

化学共沉淀法制备磁性活性炭的反应过程与原理是：

2Fe（OH）2++Fe（OH）++3OH-→（Fe3+）2（Fe2+）（OH-）8→Fe3O4↓+4H2O。

（2）磁性活性炭的制备方法

材料试剂：PAC粉末活性炭、FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O、NaOH，所用试剂皆是分析纯试剂；水采用高纯水。

制备方法：称取FeCl3·6H2O 3.9克、FeCl2·4H2O 1.4克置于烧杯中将其溶解，再添加粉末活性炭1.65克，保持溶液温度条件为75℃并进行充分搅拌，然后缓慢滴加入5.0mol/L的NaOH沉淀剂50ml，通过1h的反应后，将溶液静置沉淀，静置后将上清液去掉，烧杯里面的悬浊液置于烘箱中进行烘干，再用高纯水把制得的材料进行多次冲洗直到上清液呈中性，磁力回收烘干后置密封保存在样品瓶中。

3、磁性活性炭的材料结构和形貌分析

3.1磁性活性炭的孔結构分析

在523K条件下，对样品进行脱气4h，采用浓度为99.99%的N2为吸附介质并测定，再利用吸附等温线的方法计算出所制备活性炭样品的比表面积、孔结构等参数，分析出磁性活性炭的孔结构如表1所示。

3.2磁性活性炭的表面形貌分析

磁性活性炭和PAC粉末活性炭的扫描电镜图（SEM图）分别如下图1、2所示，从图1、2中可以看出，PAC粉末活性炭的表面较为光滑并带有片块状，而所制得的磁性活性炭在PAC表面上分布着众多微小、呈球状的颗粒物，而材料内部孔隙结构却没有发生多大变化。

4磁性活性炭的吸附性能研究

4.1实验方法

在实验室温度20℃条件下，量取含有亚甲基蓝（C16H18ClN3S·3H2O）的染料标准储备液（10g/L）12.5mL，置于1升的烧杯中，加入高纯水调制成500mL的染料废水样品。设置恒温水浴锅转速为3r/s，分别加入一定质量的磁性活性炭或PAC粉末活性炭，然后加入H2SO4和NaOH溶液调整试液的pH到一定值，震荡在一定时间后取出样品，经过处理的污水样品用0.45μm的滤膜进行过滤，取少量滤液进行检测其COD，余下的滤液经过稀释后利用分光光度计测量其吸光度，再算出染料的剩余质量浓度。

4.2磁性活性炭的吸附性能研究结果

（1）pH对吸附的影响

溶液的pH值对许多吸附过程都会产生比较大的影响，其发生作用主要是在于吸附剂的表面电荷、活性位点、官能团、以及吸附质的电离程度，从而改变了吸附剂的表面化学性质以及吸附质的溶液形态。本论中磁性活性炭和PAC粉末活性炭的加入量是0.4g/L、亚甲基蓝污水样品是250 mg/L的初始质量浓度、加入活性炭和污水的接触时间是5h，研究所加入材料在不同pH环境下吸附容量的变化情况，结果见图3。

从图3可知，磁性活性炭和PAC在溶液pH=3的环境下对亚甲基蓝的吸附容量分别是150.4mg/g和228.5 mg/g；在pH=9的溶液环境下二者的吸附容量分别提高到309.5 mg/g和272.3 mg/g。从中我们可以看出，溶液pH的增大能够在较大程度上提高磁性活性炭对污水中亚甲基蓝的吸附容量，相比较而言pH对PAC 吸附容量的影响则并没有磁性活性炭那么明显。因为亚甲基蓝是阳离子型染料中的一种，这种染料在溶液中的主要存在形式是带正电荷的阳离子，所以当污水pH大于Fe3O4的等电点（pH=6.5）时，磁性活性炭微粒的表面许多吸附位点以去质子化的状态存在，使得位点的负电荷数量增加，所以当污水表现出碱性的时候可以增加对于阳离子型染料的吸附量。此外，当污水呈酸性的时候，会对PAC粒子表面的正电荷基团吸附亚甲基蓝产生影响，当pH变为中性时所PAC表面形成双电荷层改变了极性，所以当溶液呈中性时磁性活性炭和PAC的吸附容量都较大的变化。

（2）接触时间对染料去除率和COD去除率的影响

在pH=9的污水环境中，在100mg/L浓度的亚甲基蓝废水中添加入0.4g/L的磁性活性炭，研究材料和印染废水不同接触时间情况下，两种活性炭材料对染料的去除率以及对污水COD去除率的影响，图4为所得接触时间-去除率图。

从图4可以看出，在pH=9的污水环境中，所制备的磁性活性炭对染料废水的吸附速率很高，在材料与亚甲基蓝废水接触时间达到60分钟以后，去除亚甲基蓝及COD的的比例达到85%左右。只需4.5个小时就可以达到对亚甲基蓝及COD的去最大除率，此时对二者的去除率都在96%左右。此后再继续延长接触时间则对去除率不会产生太大的影响，说明此时磁性活性炭已经达到吸附饱和。

（3）材料的分离效果

磁性活性炭及PAC沉淀效果对比如图5所示。其中a是磁性活性炭开始沉淀时、b是磁性活性炭自然沉淀12分钟、c是磁性活性炭磁力回收30s时、d是PAC自然沉淀5小时的沉淀效果图。从图5可以看出，磁性活性炭自然沉降12分钟就可以完全沉淀，而通过外部磁力进行回收30秒就可以很快地分离。但PAC混合液却在自然重力下沉淀了5小时还没有发生显著变化，必须靠过滤设备进行过滤才可以对溶液进行分离。

从上面的吸附性能研究结果可以看出，磁性活性炭中Fe3O4 的加入并不会明显降低PAC的吸附能力，然而加入Fe3O4 却可以使实现对复合材料使用后的快速分离回收，从而可以有效地解决PAC在污水处理后难以分离和成本高的缺点。

5、结论

通过化学共沉淀法合成的磁性活性炭表面均匀，有着较好的吸附性能，其中pH对吸附效率具有较大影响。当溶液呈碱性时，磁性活性炭对亚甲基蓝的吸附能力比PAC更强。当pH=9时，磁性活性炭的吸附能力最强，接触时间4.5小时就可以达到饱和吸附容量309.5mg/g。该合成材料有效地解决PAC在污水处理后难以分离的缺点，自然沉降12分钟就可以完全沉淀，而在外部磁力进行回收30秒就可以很快地分离。且该合成材料在再生方面有着广阔的应用前景。比起普通的PAC工艺，该磁性活性炭有着较大优势和应用潜力。

参考文献

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（作者单位：武汉轻工大学化学与环境工程学院）