劉 倩

(大同煤業(yè)金鼎活性炭有限公司，山西 大同 037001)

1 研究背景

吸附過程廣泛應(yīng)用于工業(yè)及生活中很多領(lǐng)域，其中，吸附劑的選擇性在吸附過程中起主導(dǎo)作用。高比表面積活性炭(HSSAAC)由于其發(fā)達(dá)的孔隙形態(tài)被廣泛地用作吸附劑[1-2]?？兹甘G是一種廣泛使用的染料，主要用于魚業(yè)殺菌劑，殺外寄生蟲藥和消毒劑，另外,該染料也被廣泛用于染色絲綢、羊毛、黃麻、皮革和棉花等。最近有研究表明,孔雀石綠有增加癌癥的風(fēng)險(xiǎn)，危害人們身體健康，因?yàn)榭兹甘G具有高度細(xì)胞毒性，對(duì)哺乳動(dòng)物肝臟腫瘤細(xì)胞有增強(qiáng)作用，因此，研究對(duì)其除去的方法意義重大[3-5]。目前，主要去除孔雀石綠的方式是活性炭吸附，吸附性能主要與炭材料的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，微孔炭用于氣體或蒸汽吸附，在溶液中吸附離子通常使用表面具有一定功能基團(tuán)的活性炭，而有機(jī)分子從水溶液中除去使用中孔炭[6]。本文使用KOH和NaOH，將前體材料在較低溫度下化學(xué)活化后制備成相應(yīng)的活性炭，檢測(cè)了制備的活性炭對(duì)孔雀石綠的吸附性能，研究了實(shí)驗(yàn)所合成活性炭的孔結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)條件，如，接觸時(shí)間、接觸溫度、吸附物濃度等對(duì)吸附性能的影響，為拓寬煤炭在深加工領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

首先，將煤焦油渣洗凈并干燥，在氮?dú)庀掠诩訜崞髦屑訜嶂?50 ℃，處理1 h，然后，將碳化產(chǎn)物與大量的氫氧化鉀或氫氧化鈉混合，于400 ℃下進(jìn)行脫水處理0.3 h～1.0 h，隨后，溫度升高至更高的溫度(650、700、750 ℃)進(jìn)行活化30 min～120 min，最后，降溫到120 ℃，將產(chǎn)物研磨，用蒸餾水洗滌除去水溶性物質(zhì)，隨后干燥?；钚蕴康谋砻婵梢酝ㄟ^HNO3和H2O2氧化改性，引入含氧官能團(tuán)。方法如下：將活性炭在4 mol HCl溶液中回流持續(xù)48 h，隨后，用蒸餾水洗滌直至去除H+，然后，在120 ℃下干燥。不同條件下生成的炭孔結(jié)構(gòu)通過自動(dòng)孔隙率計(jì)(micromeritics ASAP，單一端口)測(cè)試，比表面積是用BET方程來(lái)計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 不同條件下生成炭材料的表面積及孔徑

3 結(jié)果及討論

表1中可以看到，不同合成條件下炭材料表面積和孔徑差別很大，通過KOH活化和加長(zhǎng)預(yù)煅燒時(shí)間的方法可以增加微孔的量，也會(huì)隨之增大比表面積。NaOH活化機(jī)理和KOH類似，但是鈉的沸點(diǎn)(883 ℃)比鉀的沸點(diǎn)(758 ℃)高，鉀可以進(jìn)入碳結(jié)構(gòu)的內(nèi)部進(jìn)行自由活化，產(chǎn)生較小的顯微孔隙。由NaOH活化制備的多孔炭其孔徑更大。

3.1 接觸時(shí)間對(duì)吸附性能的影響

吸附容量與吸附時(shí)間的關(guān)系如第19頁(yè)圖1所示。圖1中可以看出，隨著時(shí)間的增加總吸附量不斷增大，直至最后達(dá)到吸附平衡，在25 ℃、pH=6.59下達(dá)到吸附平衡的時(shí)間約為90 min，活性炭的量為0.8 g/L，染料的濃度為1.2 mmol/L，在隨后的時(shí)間里，吸附量不再升高，吸附達(dá)到飽和。

MG:1.2 mmol/L;活性炭:0.8 g/L;溫度:25 ℃;pH:6.59

3.2 吸附溫度對(duì)吸附性能的影響

溫度對(duì)吸附性能有一定影響，由圖2可知，溫度從20 ℃升高到80 ℃，吸附量先增加后減少，溫度為70 ℃時(shí)吸附性質(zhì)最好。但是，隨溫度增加吸附量增加的量與總吸附量相比并不明顯，也就是說(shuō)，溫度對(duì)化學(xué)吸附的影響不大，炭材料的吸附能力不是主要取決于溫度。

pH:6.59;接觸時(shí)間:2 h;活性炭:0.8 g/L;MG:1.2 mmol/L

3.3 吸附溶液pH值對(duì)吸附性能的影響

pH值是控制吸附過程最重要的參數(shù)之一，由圖3可知，活性炭在較高pH范圍內(nèi)有活性，但是低pH值和高pH值的區(qū)別也不算很大。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道可知，吸附能力隨pH增加而增加，可能是由于炭表面上負(fù)電荷的增加，從而在炭表面產(chǎn)生靜電力，增加了其與MG離子之間的吸引力。

3.4 吸附溶液離子強(qiáng)度對(duì)吸附性能的影響

向溶液中加入KCl來(lái)探究吸附溶液離子強(qiáng)度對(duì)吸附性能的影響，活性炭使用HCl、H2O2和HNO3處理，數(shù)據(jù)在25 ℃、pH=6.59條件下獲得，圖4展示了在KCl作用下，活性炭對(duì)1.2 mmol/L MG濃度溶液的吸附性能，圖5顯示了MG在2種鹽濃度下的吸附曲線。在低濃度KCl溶液中，離子對(duì)染料吸附性能影響不大，所以，在濃度相對(duì)較低的溶液中，可用的吸附位點(diǎn)對(duì)于MG吸附是足夠的。相反，隨著平衡濃度的增加，吸附過程逐漸發(fā)生在活性較差的位點(diǎn)，尤其是在較高濃度下，表現(xiàn)更加明顯，如圖5所示。由圖5可知，MG的吸附性能在較高鹽濃度(0.3 mol/L)中高于低濃度(0.01 mol/L)，這是因?yàn)椋砑覭Cl后，陽(yáng)離子部分中和，炭表面上形成壓縮雙電層，通過與MG離子配對(duì)產(chǎn)生額外的吸附容量。

接觸時(shí)間:2 h;活性炭:0.8 g/L;MG:1.2 mmol/L;溫度:25 ℃

接觸時(shí)間:2 h;活性炭:0.8 g/L;MG:1.2 mmol/L;溫度:25 ℃

接觸時(shí)間:2 h;KCl:0.3 mol/L、0.01 mol/L;

4 結(jié)論

本文以煤焦油渣為原料合成了2個(gè)不同孔徑的活性炭系列材料，檢測(cè)了其對(duì)水溶液中孔雀石綠的吸附性質(zhì)，使用控制變量法研究了吸附性能與pH、接觸時(shí)間、接觸溫度及吸附物初始濃度的關(guān)系。結(jié)果表明，活性炭吸附孔雀石綠過程比較復(fù)雜，許多因素(如，表面化學(xué)、表面電荷和孔結(jié)構(gòu)等)可能對(duì)吸附能力有影響。在相同的吸附條件下，吸附量并不總是隨著表面積增加而增加，需要具體分析和探究。本文為其他孔材料的吸附性能測(cè)試提供了一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。