張俊年

摘要：本實(shí)驗(yàn)選取玉米秸稈為原料，以氫氧化鈉（NaOH）和磷酸（HPO）為活化劑在不同條件下制備活性炭，研究利用不同活化劑，在不同條件下所制活性炭的品質(zhì)差異，以及對(duì)Pb、Cu、Cd吸附效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，活化劑有利于活性炭的制作，復(fù)合活化劑優(yōu)于單一活化劑，所制活性炭接近或達(dá)到木質(zhì)凈水用活性炭二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，活性炭對(duì)Cd、Cu、Pb吸附量基本為Cd>Cu>Pb。重金屬在混合溶液中發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，Cd的競(jìng)爭(zhēng)吸附能力較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈? 活化劑? 活性炭? 重金屬? 吸附

1 引言

隨著工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，工業(yè)污染也日益嚴(yán)重，特別是重金屬污染。重金屬進(jìn)入環(huán)境或生態(tài)系統(tǒng)以后，不能被降解，通過(guò)食物鏈就會(huì)存留、累積或遷移，產(chǎn)生食物鏈濃縮，破壞生物體的正常生理活動(dòng)，進(jìn)而危害人類(lèi)健康，破壞生態(tài)平衡。

為此，本研究以玉米秸稈為原料，以氫氧化鈉（NaOH）、磷酸（H3PO4）為活化劑，在多種活化方式和不同溫度下制備活性炭，比較使用不同活化劑，在不同活化方式下所制的活性炭品質(zhì)的差異，以及對(duì)溶液中Cd、Cu、Pb吸附能力強(qiáng)弱，探究以玉米秸稈制備活性炭的最佳條件，同時(shí)希望本研究為吸附法治理水體中重金屬污染提供數(shù)據(jù)參考。

2 材料與方法

2.3? 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1? 材料預(yù)處理

（1）取適量玉米秸稈，用自來(lái)水清洗干凈，在100℃溫度下烘干，然后用植物粉碎機(jī)粉碎待用;

（2）按表1活化方式處理秸稈，秸稈在溶液中浸泡24小時(shí)，浸泡后用紗布過(guò)濾，然后在100℃-110℃溫度下烘干備用;

2.3.2? 玉米秸稈基活性炭的制備

（1）稱(chēng)量10g預(yù)處理后的玉米秸稈于坩堝中，分別在500℃、600℃溫度下于馬弗爐中炭化1小時(shí)[1];

（2）待馬弗爐冷卻至室溫，取出炭化后的秸稈，先用稀硫酸洗，再用純水漂洗至中性，然后在100℃-110℃溫度下烘干備用;

（3）稱(chēng)量所制活性炭的質(zhì)量，計(jì)算活性炭得率;

（4）將烘干的活性炭研磨，過(guò)篩得到活性炭成品分裝于廣口瓶中待用，活性炭分別記為CK，P，P2Na1，P1Na1，P1Na2，Na。

2.3.3 活性炭品質(zhì)的檢驗(yàn)

按照國(guó)標(biāo)法測(cè)定所制活性炭的灰分，按照國(guó)標(biāo)《碘吸附值的測(cè)定》測(cè)定所制活性炭的碘吸附值，再根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)判定活性炭的品質(zhì)。

2.3.4 活性炭對(duì)Cd、Cu、Pb的吸附實(shí)驗(yàn)

取所制的10種玉米秸稈基活性炭各0.1g于10個(gè)聚乙烯離心管中，然后加入20mL配制的Pb溶液，保持恒溫25℃，以250r/ min的振速振蕩1h，用0.45m 微孔濾器過(guò)濾，用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定濾液中重金屬濃度。Cu和Cd的吸附實(shí)驗(yàn)操作與Pb的吸附實(shí)驗(yàn)操作相同。計(jì)算活性炭對(duì)Cd、Cu、Pb的吸附值和去除率。同時(shí)做平行試驗(yàn)。

2.3.5? Cd、Cu、Pb的競(jìng)爭(zhēng)吸附實(shí)驗(yàn)

取活性炭0.1g于聚乙烯離心管中，加入20mL所配制含Pb、Cu、Cd的混合溶液，保持恒溫25℃，以250r/ min的振速振蕩1h，用0.45μm 微孔濾器過(guò)濾，用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定濾液中重金屬質(zhì)量濃度。計(jì)算活性炭對(duì)混合溶液中Pb、Cd、Cu的吸附值和去除率。同時(shí)做平行試驗(yàn)。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 玉米秸稈基活性炭基本性質(zhì)

根據(jù)國(guó)家測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所制玉米秸稈基活性炭的基本性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，用以初步判定所制活性炭的品質(zhì)，其檢測(cè)結(jié)果如下表2，

由表2可見(jiàn)，不同條件下制備的玉米秸稈基活性炭的得率、碘吸附值、苯酚吸附值各不相同，根據(jù)灰分、pH、碘吸附值三項(xiàng)基本標(biāo)準(zhǔn)可見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)所制的活性炭接近或達(dá)到木質(zhì)凈水用活性炭二級(jí)品標(biāo)準(zhǔn)。而活化方式不同也影響著活性炭的品質(zhì)，總的看來(lái)，600℃溫度下所制的P2Na1活性炭品質(zhì)較好。

3.2? 不同活化方式所制活性炭對(duì)Pb、Cu、Cd的吸附

本實(shí)驗(yàn)選取常見(jiàn)而又危害較大Pb、Cu、Cd三種重金屬為吸附研究對(duì)象，分析活性炭對(duì)其吸附情況，以探究秸稈基活性炭對(duì)重金屬的吸附效果，從而得到制備玉米秸稈基活性炭的最佳工藝條件。不同活化方式所得活性炭對(duì)Pb、Cu、Cd的吸附分析如下圖2，圖3.

注：500CK表示500℃溫度下所制的活性炭CK，600P表示600℃溫度下所制活性炭P，其它表示相同。

由圖2，圖3可知，所制活性炭對(duì)Pb、Cu、Cd的吸附能力表現(xiàn)為Cd>Cu>Pb;600℃下所得活性炭比500℃條件下的品質(zhì)高，溫度越高，活化反應(yīng)進(jìn)行得越充分，玉米秸稈不斷分解，碳結(jié)構(gòu)不斷受到侵蝕，產(chǎn)生大量的空隙結(jié)構(gòu)，但是隨著溫度的繼續(xù)升高，因碳結(jié)構(gòu)的過(guò)度侵蝕造成已經(jīng)產(chǎn)生的孔道之間發(fā)生坍塌，相互貫通，形成通道，從而造成活性炭比表面積減小，其吸附性能減弱。另外，活化劑不同，所制得的活性炭品質(zhì)也有所差異，差異表現(xiàn)為：復(fù)合活化劑>單一活化劑>空白，其中復(fù)合活化劑時(shí)，活化劑浸漬比不同也影響所制活性炭的品質(zhì)，P2Na1品質(zhì)高于其它條件所制活性炭。當(dāng)用高濃度單一磷酸作活化劑時(shí)，吸附性能下降。因?yàn)楦邼舛鹊牧姿嵩诟邷叵禄罨衩捉斩挄r(shí)，磷酸對(duì)炭體的侵蝕作用強(qiáng)烈，使得秸稈中大量的氫和氧以水蒸氣的形式流失，降低了活性炭的得炭率，影響了活性炭的品質(zhì)。進(jìn)入材料內(nèi)部的磷酸一方面作為催化劑使原料中大分子鍵斷裂;另一方面通過(guò)自身的縮聚和環(huán)化參與鍵的交聯(lián)，在加速碳鍵斷裂的同時(shí)抑制焦油的產(chǎn)生，導(dǎo)致產(chǎn)生了大量的空隙結(jié)構(gòu)。故偏酸的復(fù)合活化劑更有利于活性炭制作。

3.3? Pb、Cu、Cd的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用

選擇600℃溫度下所制活性炭P2Na1研究活性炭對(duì)Pb、Cu、Cd的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用，采用該活性炭分別對(duì)單一溶液和混合溶液中的Pb、Cu、Cd進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表4

根據(jù)表4可見(jiàn)，活性炭對(duì)混合溶液中重金屬的吸附值明顯低于對(duì)單一溶液中同種重金屬的吸附值。在單一溶液中Cd的吸附值最高，Cu的吸附值大于Pb;而在混合溶液中，三種重金屬發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，相互影響，Cd的吸附值和去除率仍最高，而Pb的吸附值和去除率則高于Cu被優(yōu)先吸附?？傮w看來(lái)，在混合溶液中，活性炭對(duì)重金屬的吸附能力表現(xiàn)為：Cd> Pb> Cu。

4? 結(jié)論

不同活化方式所制的玉米秸稈基活性炭品質(zhì)也不同。使用活化劑所制的活性炭得率高于未使用活化劑的得率，使用復(fù)合活化劑的得炭率稍高于單一活化劑的得炭率。本實(shí)驗(yàn)所制活性炭的碘吸附值、灰分、pH，得炭率可達(dá)到或接近木質(zhì)凈水用活性炭二級(jí)品標(biāo)準(zhǔn)，且對(duì)Pb、Cu、Cd的吸附值高于一般市售的木質(zhì)活性炭。

浸漬方式和炭化溫度都影響著活性炭的品質(zhì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析得出，制作玉米秸稈基活性炭的最佳條件為：P2Na1處理方式+600℃。

所制玉米秸稈基活性炭對(duì)Pb、Cu、Cd的吸附能力表現(xiàn)為：Cd>Cu>Pb。在混合溶液中，Pb的競(jìng)爭(zhēng)吸附能力較強(qiáng)，而稍?xún)?yōu)于Cu被吸附，吸附能力表現(xiàn)為Cd>Pb>Cu。

參考文獻(xiàn)

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