活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭改性后吸附铜离子，经过实验测试使用过氧化氢和硝酸氧化改性的活性炭吸附铜离子。制备出来的活性炭有较高的比表面积和含氧基团。发现氧化的活性炭有效地从水溶液中吸附铜离子。对于最有效的活性炭-HNO 3-30吸附剂，从不同浓度的溶液中去除铜离子的百分比很高。在浓度范围为1.5至6×10 -4 M 2的Cu 2+，达到> 55%。在低于1.5×10 -4  M 的浓度下，预期的去除率高于80%。

　　具有许多应用的铜是支持植物和动物生长的必需微量元素。尽管如此，人体积聚过多的铜离子会造成严重的健康危害。但是可以通过活性炭吸附剂净化重金属污染的废水。这种活性炭吸附修复满足了对可持续性和环境友好性的各种要求。为了实现高效的离子吸收，它似乎是最合理的技术。

　　活性炭具有大的比表面积和可调的表面层性质。这些碳材料在碱性和酸性介质中显示出高水解稳定性。通常，不同类型的孔的存在提供有利的质量传递。在此背景下，从水中去除重金属离子的成功取决于活性炭表面的化学行为。据报道，表面化学对活性炭的吸附性能有显着影响。显然，表面的酸碱行为取决于含氧基团。在大多数情况下，表面界面调节官能团与重金属离子的络合。所得复合物的组成取决于表面基团的类型和浓度3。此外，可以建议这些组(在高度表面覆盖下)可以相互作用并对吸附行为具有集体效应。因此吸附能力受许多因素的影响。

　　在大多数情况下，普通活性炭具有足够的结构参数以利用多孔结构来净化水。但表面官能团浓度似乎不足以用于有效吸附重金属离子。为了增加表面基团浓度，氧化修饰是最有效和最简单的方法。如果用诸如氧化氢和硝酸试剂处理活性炭，则可以获得大浓度的含氧基团。考虑到所有这些因素，我们在此报告所得活性炭吸附剂的氧化改性和物理化学性质。制备的活性炭已通过许多方法表征，包括氮气吸附、解吸和Boehm滴定。最后，我们进行了批量吸附实验，以检查从水中去除Cu 2+离子的可行性。并且，估计初始金属离子浓度对吸附容量的影响。

　　图1.初始和氧化活性炭的典型ATR光谱。

　　活性炭吸附铜离子实验

　　在整个实验过程中，将50mg预干燥的活性炭样品浸入20ml铜离子水溶液中。得到的悬浮液含有已知浓度的Cu 2+在25℃培养箱中以150转/分钟摇动一天。通常，对于这种类型的活性炭，吸附平衡在15-18小时内相当快速地建立。为了便于测量，选择了24小时的时间。在固定的pH下进行吸附，通过使用NaOH溶液作为pH控制试剂将其调节至恒定值5.5。吸附后，将贫铜溶液通过滤纸在干净的烧瓶中过滤。对过滤的溶液进行取样以进行分光光度分析。如下所述，对来自硝酸铜(II)的含铜离子的水溶液进行分析。将取样的5ml等分试样移液到25ml锥形烧瓶中。向它们各自中加入2ml缓冲液(乙酸铵)溶液。所研究的溶液默认含有不超过70mg的Cu。将3ml双环己酮、氧代二腙加入到缓冲至pH为8-9的每种溶液中。在约600nm处测量高显色复合物与铜离子的吸收，消光系数为16,000。所有测量均在10分钟的最佳测量延迟时间内进行。

　　我们发现活性炭样品中呈现两种类型的孔。小微孔的宽度范围为1.06-1.32nm。还可以看到宽度为约3.4nm的中孔。氧化后，微孔的宽度略微增加，从初始活性炭中的约1.1nm增加到氧化活性炭中的1.2-1.3nm。用硝酸氧化导致微孔数量减少。还形成宽度为3.4nm的大孔(中孔)。在强氧化的活性炭样品的情况下，微孔的加宽可以将一些微孔转变成中孔。对于活性炭-HNO 3-30样品，记录了新微孔(孔宽度~1.7nm)的形成。

　　图2.活性炭吸附铜离子研究(a)实验并拟合Langmuir(b)和Freundlich(c)模型和(d)KF对CA的拟合。

　　根据这些意见，我们将总结以下事实。实际上，大分子石墨烯片段经历氧解降解。毫无疑问，这导致了微孔壁的微裂缝。氧化破坏是快速过程，特别是在强氧化剂存在下，即使在室温下也是如此。石墨烯类碳基质很容易被水溶液中的氧化破坏。从结构的观点来看，氧解是微孔膨胀和新中孔出现的原因之一。在这种背景下，观察Cu 2+的吸附等温线， 这种等温线显着不同。

　　关于活性炭改性后吸附铜离子上的平衡研究的实验数据绘制在图2(a)中。该图显示最有效的吸附剂是活性炭-HNO 3-5和活性炭-HNO 3-30样品，去除率R超过50%。在低浓度Cu 2+的范围内，低于1.5×10-4 M，R的值高于80%。我们认为，这是由于含氧基团的高浓度。

　　评估吸附模型用于预测氧化改性活性炭的性质的适用性通常超出了以前研究的焦点。在所考虑的浓度范围内，实验等温线可以适用于许多数学模型。这项研究表明，发现一些方程式可以很好地模拟吸附等温线。尽管如此，这个活性炭吸附铜离子的结果建模仅在DR方程中具有直接的物理意义。对于模型到数据拟合而得到的非常高的R因子值以及预测的视觉检查暗示DR模型充分描述了表面异质性并且暗示了氧化活性炭的微孔中的阳离子吸附。我们将显着的吸附效率归因于同时起作用的高含量吸附中心。在通过络合吸附铜离子的机理的假设内，这些中心被指定为存在于氧化改性活性炭表面上的Cb，A和L基团。

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