活性炭纖維對Cu2+的吸附性能研究

王明華，胡玉才，李中玲，唐清華，楊迎霞

（魯東大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山東煙臺264025）

活性炭纖維對Cu2+的吸附性能研究

王明華，胡玉才，李中玲，唐清華，楊迎霞

（魯東大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山東煙臺264025）

活性炭纖維（ACF）作為一種新型活性炭吸附材料已引起了化學(xué)家們的極大關(guān)注?？捉Y(jié)構(gòu)分析表明：活性炭纖維的孔徑分布窄，孔徑比較均勻。本文以活性炭纖維作為去除水中重金屬離子Cu2+的吸附劑，吸附實驗表明，活性炭纖維對Cu2+的最大吸附量為148.50mg·g-1，吸附平衡時間短，當(dāng)接觸時間為50min時，即可達到吸附平衡，吸附過程符合Langmuir和Freundlich模型。動態(tài)吸附結(jié)果表明，活性炭纖維對Cu2+的吸附量隨著流速的增加而降低。

活性炭纖維；Cu2+；吸附

活性炭纖維（ACF）主要分為粘膠基ACF、酚醛基ACF、聚丙烯腈基ACF（PAN-ACF）、瀝青基ACF（Pitch-ACF）等[1-5]，由于ACF的前驅(qū)體不同，因此，其表面的官能團不同，所以不同的ACF產(chǎn)品有不同的作用，在應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)需要選取相應(yīng)的活性炭纖維。與粉狀活性炭（PAC）和顆?；钚蕴迹℅AC）相比，活性炭纖維具有比表面積大，吸附容量大，吸附速度快，脫附條件溫和及再生容易等優(yōu)點，在水處理[6-10]和氣體處理[11，12]方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文以活性炭纖維作為吸附劑，研究其對重金屬離子Cu2+的吸附特性，為活性炭纖維的應(yīng)用提供一定的實驗依據(jù)。

1 儀器和試劑

ASAP-2000比表面積分析儀（麥克公司，美國）；Unic7200分光光度計（英國Unic公司）；BT-100恒流泵（上海瀘西分析儀器廠）；SHA-C恒溫振蕩器（金壇市恒豐儀器廠）。

活性炭纖維：森友公司生產(chǎn)；無水CuSO4，HCl均為分析純。

2 實驗方法

2.1 標(biāo)準曲線的繪制

稱取2.50g無水硫酸銅置于200mL燒杯中，用蒸餾水將其溶解，移入1000mL的容量瓶中定容，得到1.6g·L-1的待用液。

分別配制濃度為40，80，120，160，200，240，280，320mg·L-1的溶液100mL，分別測量它們的吸光度，繪制標(biāo)準曲線見圖1。

圖1 標(biāo)準曲線Fig.1Standard curve

2.2 靜態(tài)吸附實驗

2.2.1 濃度對吸附量的影響分別移取濃度為180，240，300，360，420，480mg·L-1Cu2+溶液25mL于100mL碘量瓶中，分別加入0.100g活性炭纖維，在283K的溫度下，以100r·min-1的振蕩速度，振蕩50min，測量它們的吸光度A，計算吸附后Cu2+的濃度，計算吸附率。

2.2.2 活性炭纖維用量對吸附的影響分別取25mL濃度為600mg·L-1Cu2+的溶液置于6個碘量瓶中，依次加入0.020g，0.040g，0.060g，0.080g，0.100g，0.120g的炭纖維，在283K的溫度下，以100 r·min-1的振蕩速度，振蕩50min，測量它們的吸光度A，考察不同炭纖維量對吸附率的影響。

2.2.3 吸附時間對吸附量的影響分別移取濃度為600mg·L-1Cu2+的溶液25mL置于6個碘量瓶中，分別加入0.100g炭纖維，在283K的溫度下，以100r·min-1的振蕩速度，每隔10min取樣，測定它們的吸光度A，考察不同吸附時間時活性炭纖維對Cu2+的吸附率。

2.3 動態(tài)吸附實驗

2.3.1 濃度對動態(tài)吸附的影響室溫條件下，在內(nèi)徑為1cm的堿式滴定管中，加入0.100g活性炭，裝柱高度為3cm，以1.0mL·min-1的流速，分別將濃度為160，200，240，280，320，360mg·L-1Cu2+溶液通過吸附柱，考察不同濃度Cu2+溶液的動態(tài)吸附情況。2.3.2流速對動態(tài)吸附的影響室溫條件下，在內(nèi)徑為1cm的堿式滴定管中，加入0.100g活性炭，裝柱高度為3cm，將Cu2+溶液分別以0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0mL·min-1的流速通過吸附柱，通過測量流出液的吸光度，獲得吸附后的Cu2+濃度，研究流速對吸附的影響，從而得出最佳流速。

3 結(jié)果與討論

3.1 ACF與GAC的細孔分布

圖2可以看出，活性炭纖維空隙結(jié)構(gòu)的特點是孔徑分布窄，孔徑比較均勻，暴露在纖維表面的大多是20魡左右的微孔。

圖2ACF與GAC的孔徑分布曲線Fig.2Pore size distributions of ACF and GAC

3.2 靜態(tài)吸附實驗

3.2.1 濃度對吸附量的影響炭纖維對Cu2+吸附量隨著濃度的增大而逐漸增大，當(dāng)濃度為480mg·L-1時，吸附量達到最大隨后基本保持不變（圖4），這是因為在濃度較低時，炭纖維吸附未達到飽和，隨著濃度的增加，吸附量也逐漸增大，最后吸附達到平衡，濃度再增大，吸附量也基本不變。

圖3 濃度對吸附量的影響Fig.3Effect of concentration to adsorption quantity

3.2.2 活性炭纖維用量對吸附率的影響考察了相同條件下不同活性炭纖維加入量時，活性炭纖維對Cu2+的吸附情況（圖4），結(jié)果表明，隨著加入的活性炭纖維的量增多，吸附率增大，當(dāng)活性炭纖維加入量達到0.100g之后，吸附率達到99%，此后隨著用量的增加吸附率增加幅度減小，這說明吸附基本達到飽和，所以從實際生產(chǎn)的角度出發(fā)，應(yīng)根據(jù)溶液的濃度確定較優(yōu)的吸附劑的量。

圖4 活性碳纖維用量對吸附率的影響Fig.4Effect of quality of activated carbon to adsorption rate

3.2.3 吸附動力學(xué)考察活性炭纖維對Cu2+的吸附率隨時間的變化，結(jié)果表明（圖5），隨著吸附時間的增加，吸附率逐漸增大，50min之內(nèi)，吸附率變化很快，50min之后，吸附百分率達到99%以上，吸附率趨于恒定。說明活性炭纖維對Cu2+的吸附可以較迅速的達到平衡，為其實際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

圖5 吸附率隨時間的變化曲線Fig.5Effect of time to adsorption rate

3.2.4 吸附等溫線考察了不同Cu2+起始濃度條件下，活性炭纖維對Cu2+的吸附情況，結(jié)果表明，隨著Cu2+起始濃度的增大，活性炭纖維對Cu2+的吸附量增大。用Langmuir吸附等溫式來描述吸附量qe與平衡濃度Ce之間的關(guān)系，其公式為

式中b：單層吸附的最大吸附量，mg·g-1；Ce：吸附平衡后的濃度，mg·L-1；k：Langmuir常數(shù)，L·g-1，將上式變形為：

以Ce/qe對Ce作圖（圖6），得方程y=0.0635x+ 1.9727，其中最大吸附量b=148.50mg·g-1，吸附常數(shù)k=0.0034136，直線相關(guān)系數(shù)為0.9835，接近于1。因此，ACF對Cu2+的吸附符合Langmuir吸附等溫式。

圖6Langmuir吸附等溫線Fig.6Langmuir adsorption isothermal

將實驗數(shù)據(jù)用Freundlich吸附等溫式處理，其公式為

式中qe：為平衡吸附量；Ce：平衡濃度，KF，n在一定的溫度下對一定的體系而言都為常數(shù)，用lnqe對lnCe作圖（圖7），結(jié)果表明，ACF對Cu2+的吸附較好地符合Freunlich吸附等溫式。

圖7Freunlich吸附等溫線Fig.7Freunlich adsorption isothermal

3.3 動態(tài)吸附

3.3.1 初始濃度對動態(tài)吸附的影響考察不同Cu2+起始濃度時活性炭纖維對Cu2+的動態(tài)吸附（圖8），結(jié)果表明，通過吸附柱的Cu2+起始濃度越低，吸附量越大，這主要是因為當(dāng)Cu2+溶液的濃度較高時，Cu2+在ACF微孔的孔徑處吸附，影響其它Cu2+進入纖維徑內(nèi)進行吸附，在纖維孔腔內(nèi)不能形成比較規(guī)則的堆積，故吸附量減小。

圖8 初始濃度對吸附的影響Fig.8Effect of initial concentration to adsorption

3.3.2 流速對動態(tài)吸附的影響考察流速對吸附的影響（圖9）可以看出，活性炭纖維對Cu2+的吸附量隨著流速的增加而降低，這可能是因為上柱流速過大，一部分Cu2+還未來得及被吸附就流出吸附柱，當(dāng)流速為1.5mL·min-1時，吸附量最大，所以在實踐中要選擇適當(dāng)?shù)牧魉僖蕴岣呶叫省?/p>

圖9 流速對吸附的影響Fig.9Effect of flow rate to adsorption

4 結(jié)論

活性炭纖維對Cu2+的最大吸附量可達到148.50 mg·g-1，其吸附規(guī)律較好地符合Langmuir和Freunlich吸附等溫式?；钚蕴坷w維對Cu2+的吸附速率較快，在283K的溫度下，以100r·min-1的振蕩速度，當(dāng)吸附50min時，吸附百分率趨于恒定，吸附百分率達到99%以上。隨著Cu2+濃度的增大，活性炭對Cu2+的吸附量略有減小?；钚蕴坷w維對Cu2+的吸附率隨著吸附劑用量的增加而增大，但當(dāng)增大到一定程度時吸附率不再變化。流速越慢吸附量越大，但是考慮到實際需要應(yīng)選擇合適的流速。

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Study on adsorption properties of activated carbon fiber for Cu2+

WANG Ming-hua，HU Yu-cai，LI Zhong-ling，TANG Qing-hua，YANG Ying-xia
（School of Chemistry and Materials Science，Ludong University，Yantai 264025，China）

In recent years,activated carbon fiber（ACF）as a new type activated carbon has aroused enormous interest.The pore structure analysis shows that activated carbon fiber with narrow and homogeneous pore size distributions can be obtained.Activated carbon fiber was used as adsorbent of Cu2+in water in this paper.Thermodynamic analysis revealed that the adsorption reached to equilibrium in 50 minute and the saturated adsorption amount reached 148.50mg·g-1of activated carbon fiber for Cu2+.The experimental equilibrium data was fitted to the Langmuir and the Freundlich models.The dynamic adsorption result indicated that the adsorption amount of activated carbon fiber for Cu2+decreased with the increasing of flow rate.

activated carbon fiber；Cu2+；adsorption

book=2012,ebook=69

A

1002-1124（2012）06-0063-04

2012-04-13

王明華(1976-)，女，講師，碩士研究生，研究方向：功能高分子。