活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭从水中吸附去除钴,本文研究了使用两个活性炭样品和两个活性炭纤维样品从水溶液中吸附钴离子。吸附不依赖于表面积，而是受到活性炭表面上碳-氧基团的存在的强烈影响。这些表面基团的量是用硝酸和氧气的碳氧化增强，降低了氧化的样品在400, 650和9500c脱气。Co(II)离子的吸附增加氧化和降低脱气。钴Co(II)离子的吸附增加了氧化和降低了脱气。当用硝酸进行氧化时吸附的增加要大得多。与氧气氧化相比，该处理偶然导致氧表面基团量的增加更大。脱气时吸附的降低取决于脱气温度，在650℃脱气时比在400℃脱气时更大。氧化吸附的增加和脱气时吸附的减少归因于氧化时碳表面酸性基团浓度的增加以及脱气的降低。碳表面上的酸性碳- 氧基团的存在及其在水溶液中的电离也改变碳悬浮液的pH。本文还研究了溶液pH值对溶液活性炭吸附Co(II)离子的适宜机理。

　　从水溶液中吸附无机金属离子有几个方面：贵金属如金和银的回收，活性炭与某些金属的负载以产生浸渍的活性炭以及去除饮用水中的重金属污染物。钴是一种重金属，存在于几个行业的废水中，即使少量也会对人体产生毒性。因此，使用不同类型的活性炭通过吸附除去已经是本文研究的主题。活性炭表面性质和活性炭氧化表面基团的类型对水溶液中活性炭吸附Co(II)离子的影响及其作用机制尚未有人涉及，目前的工作是在考虑到这些方面的情况下进行的。

　　图1、水溶液中的钴和其它金属污染。

　　两个颗粒状活性炭样品分别命名(AC-K和AC-S)和两个活性炭纤维样品(ACF-307和ACF-310)用来当做吸附剂。活性炭是用蒸汽活化的泥炭基材料，而活性炭纤维是基于沥青的材料。活性炭已经在液相中用硝酸氧化，并在350℃用氧气氧化以提高炭-氧表面基团的量。然后将氧化的活化的纸箱在400,650和950℃脱气以逐渐消除不同量的这些炭-氧表面基团。氧化和脱气过程已经在别处进行了描述，下面给出简要的描述。

　　1、用硝酸氧化

　　在维持在约80℃的水浴中，将活性炭样品(5g)与150mL 50%硝酸在250-mL容量的borosil烧杯中加热。当大约10mL的酸蒸发后，将内容物冷却，用水稀释并转移到滤纸上。碳样品用热蒸馏水彻底清洗，直到滤液不含硝酸根离子。这种氧化和洗涤导致一些碳的损失。一些氧化的碳也通过滤纸。清洗后的活性炭样品首先在空气中干燥，然后在120℃的电烘箱中干燥，在150℃下放气，然后储存在用氮气冲洗过的带塞的玻璃瓶中。

　　2、用氧气氧化

　　将每个活性炭样品5g分散在铂舟中。铂船的口部盖上一个带有孔的铂盖，以便氧气可以与碳接触。将含有碳样品的船放入电阻管炉中。炉的温度保持在350℃。纯氧和干氧以2Lh-1的速率通过样品4小时。然后将样品在氧气中冷却并转移到试剂瓶中并在氮气下储存。

　　3、活性炭的脱气

　　将约5克活性炭样品在管式炉中铺展成约13厘米的薄层。它通过多孔铜塞塞保持在位。管式炉连接到真空泵能够提供约3×10-3mm Ilg的真空。炉子的温度缓慢升高到所需的水平。气体在不久之后开始发展。使温度逐渐上升，并在另一个50℃完全消除气体之前升高温度。在所需温度下脱气后，使样品在真空中冷却至室温以避免活性炭氧化表面基团的重新形成，然后转移至用氮气冲洗过的带塞的瓶子。这些样品在文中被认为是“脱气样品”。

　　钴(II)离子的吸附方法

　　通过将每种活性炭样品的已知重量(0.5g)(在120℃的电烘箱中干燥并在干燥器中冷却)与50ml不同浓度的硝酸钴溶液一起测定Co(II)离子的吸附。将悬浮液置于保持在30±1℃的空气恒温器中。偶尔摇动悬浮液。24小时后。吸出上清液的等分部分，使用标准分析程序，使用双光束分光光度计在425nm波长下进行光学比色测定。

　　活性炭表面积对吸附的影响

　　所有活性炭(颗粒状和纤维状)均吸附可观数量的Co(II)离子，并且对于不同的活性炭，在每个浓度下吸附的量是不同的。通常，与活性炭纤维相比，粒状活性炭吸附更大量的Co(II)离子。1，虽然ACF-307(910m 2 /g)的表面积仅比GAC-S(1256m 2)小了约25%，但是AC-S对ACF-307的吸附是三倍以上)。类似地ACF-310和AC-K，尽管具有相似的表面积(1184和1190米2/g)显示出广泛不同的吸附。这表明活性炭对Co(II)的吸附不能单独依据表面积来解释。Co(II)在氧化碳样品上的吸收进一步支持了这一点。Co(II)的吸附增加了氧化，尽管氧化/还原样品的表面积低于所接受的碳样品的表面积。这方面已经在文中稍后讨论了。看起来只有钴表面积的吸附。钴在氧化碳样品上的吸收进一步支持了这一点。钴的吸附增加了氧化，尽管氧化/还原样品的表面积低于接收的活性炭的表面积。看起来钴的吸附也受到活性炭表面的化学性质的影响。由于这些活性炭已经使用不同的原料制备，并且使用不同的制备程序，其表面的化学结构可能是不同的。

　　活性炭氧化表面团的影响

　　活性炭总是与一定量的化学吸附的氧气相联系。这种氧存在的形式是碳-氧官能团，其中一些是酸性的。酸性表面基团在400-750℃的温度范围内以CC>2的形式析出，并假定为羧基和拉克洛酮。其他氧表面基团在500-950℃的温度范围内抽真空为CO。这些团体被假定为醌类，倾向于使活性炭表面疏水和中性。此外，取决于氧化处理的性质和强度，这些表面氧基团的量可以在氧化时得到增强，并且在对氧化的活性炭进行脱气时减少。

　　溶液pH值对吸附的影响

　　活性炭表面上存在酸性碳-氧基团并在水中电离也会改变碳悬浮液的pH值。在水中接受的ACF-307悬浮液的pH约为7，而AC-K的pH约为10。然而，这些碳悬浮液的pH值在用硝酸氧化时降至3至4，并在4和5用氧气氧化。因此，钴离子对碳氧化的吸附的增加是由于钴离子与碳-氧表面基团的相互作用以及由于溶液pH的改变引起的。钴的吸收随着pH增加到约6的pI而增加，并且在更高的p11值下降。这表明溶液的piI的变化导致活性炭表面的碳酸盐变化，这在不同的溶液pH值下是不同的。在pll范围3-4中钴离子的吸附突然增加表明活性炭表面的零点电荷(ZPC)位于这些piI值之间。在低于ZPC的pH值下，碳表面的过量质子化使其带正电荷。这增强了碳表面与带正电荷的钴阳离子之间的静电排斥相互作用并导致较低的吸附。正如已经被认为是羧基和甲酰基的那样。这些表面氧基团在含水溶液中电离时产生Hf离子，这些Hf离子指向液相，使带有负电荷-COO位点的表面离开。因此，氧化活性炭的碳表面带有负电荷。这增加了带负电的碳表面与带正电荷的钴阳离子之间的静电吸引相互作用，从而增加了Co(II)离子的吸附。在逐渐升高的温度下对活性炭进行脱气时，这些酸性表面氧基团逐渐消除，这导致带负电位点的数量减少，这又减少了Co(II)的吸收。当表面氧基团几乎完全通过在950℃脱气去除时，带负电的COO位点的浓度几乎降低到零，并且碳表面几乎达到正性。这减少了碳表面和Co(II)离子之间的吸引力相互作用，从而进一步降低了吸附。在950°脱气活性炭的情况下Co(II)离子的吸附可能归因于发生在孔中。

　　因此，本文中的结果清楚地表明，活性炭从水溶液中吸附活性炭主要是由酸性碳-氧表面基团决定的。

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