銅基碳?xì)饽z的制備及其吸附性能研究

任滋琪，張 晨，吳 晗，亓國雯，梁 慧

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山東 泰安 271018)

隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，環(huán)境污染已成為嚴(yán)重的社會問題，其中尤其以水污染最為突出；其中有機(jī)污染物由于對人體健康造成不可逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)重危害，已成為污染防控的重點(diǎn)對象[1]。當(dāng)前處理水體污染物的主流方法是吸附法和催化氧化法[2-4]，吸附法因其操作簡單、吸附材料可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)受到青睞。

活性炭因其制備簡單、價(jià)格低廉、比表面積大等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于水處理技術(shù)中。目前，新型碳材料的制備與改性成為研究熱點(diǎn)之一，水熱碳、生物碳、碳?xì)饽z等碳材料被廣泛報(bào)道[5-7]。碳?xì)饽z是一種質(zhì)輕、熱穩(wěn)定性好、比表面積高的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)碳材料，由于合成方法復(fù)雜、成本高、周期長等缺點(diǎn)限制了碳?xì)饽z在水污染處理中的應(yīng)用。因此，尋找經(jīng)濟(jì)易得、吸附效果優(yōu)異的碳?xì)饽z材料勢在必行。

本文通過簡單的浸漬、煅燒成功地制備了銅基碳?xì)饽z，銅氧化物均勻分散在碳?xì)饽z中，為吸附亞甲基藍(lán)提供了更多的活性位點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 銅基碳?xì)饽z的制備

將5gCuSO4溶于100mL H2O中配成硫酸銅溶液。將豆腐切小塊后放入硫酸銅溶液中浸漬24 h，整個(gè)浸漬過程在4 ℃下進(jìn)行。將浸漬后的藍(lán)色豆腐于60℃下干燥6h，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下于管式爐中500℃煅燒3h。將得到的黑色銅基碳?xì)饽z于研缽中研磨成粉末使用。純碳?xì)饽z采用無浸漬的豆腐在相同條件下制得。

1.2 吸附性能實(shí)驗(yàn)

在吸附性能測試實(shí)驗(yàn)中，所有的有機(jī)染料濃度都是50mg/L。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：取一定量的產(chǎn)品加入到60mL的有機(jī)染料溶液中，30℃恒溫水浴震蕩，間隔20 min取樣，離心后用0.22 μm的濾膜過濾，然后采用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行吸光度測試，并計(jì)算吸附效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1 銅基碳?xì)饽z、碳?xì)饽z的XRD圖譜Fig.1 The XRD patterns of copper carbon aerogels and carbon aerogels

圖1為銅基碳?xì)饽z和純碳?xì)饽z的XRD譜圖。從圖中我們可以明顯地看到，沒有浸漬的豆腐經(jīng)過煅燒后全部變成了碳，而浸漬過CuSO4溶液的豆腐煅燒后的XRD圖中既有碳的峰，又有銅氧化物的峰，這表明使用該方法可以合成銅基碳?xì)饽z。

2.2 SEM分析

圖2 銅基碳?xì)饽z的SEM圖Fig.2 SEM images of copper carbon aerogels samples

銅基碳?xì)饽z的表面如圖2a所示。從圖2a中可以看到，銅基碳?xì)饽z的表面疏松多孔，并均勻的分散著粒徑幾十納米的銅氧化物顆粒。從孔隙的區(qū)域向里看(如圖2b所示)，也可以看到均勻分布的銅氧化物，這說明銅基碳?xì)饽z的內(nèi)部和表面一樣，都有分布均勻的銅氧化物顆粒。這些高分散度的銅氧化物顆粒極大地增加了碳?xì)饽z的比表面積。

2.3 銅基碳?xì)饽z對不同有機(jī)染料的吸附研究

圖3 銅基碳?xì)饽z對不同有機(jī)染料的吸附性能Fig.3 Absorption of CR，MB，RhB and MO using copper carbon aerogels

圖3是銅基碳?xì)饽z對不同有機(jī)染料的吸附曲線。從圖中曲線中可以看出，在前20min銅基碳?xì)饽z對4種有機(jī)染料都有一定的吸附效果；羅丹明B和甲基橙在20min基本達(dá)到吸附平衡，而亞甲基藍(lán)在40min時(shí)達(dá)到吸附平衡；隨著震蕩時(shí)間的延長，剛果紅的濃度仍然在持續(xù)下降，說明此時(shí)復(fù)合物對剛果紅還未達(dá)到吸附飽和。在震蕩時(shí)間100min時(shí)，銅基碳?xì)饽z對剛果紅的去除率基本達(dá)到99%。

2.4 不同吸附劑對剛果紅的吸附研究

為了探討銅基碳?xì)饽z對剛果紅的吸附性能，在相同條件下進(jìn)行了純碳?xì)饽z、銅氧化物對剛果紅的吸附對照試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，銅氧化物對剛果紅基本沒有吸附；而碳?xì)饽z對剛果紅具有一定的吸附能力，震蕩時(shí)間80 min時(shí)基本達(dá)到吸附平衡，碳?xì)饽z對剛果紅的去除率約為55%。相較于純碳?xì)饽z和銅氧化物，銅基碳?xì)饽z表現(xiàn)出了最高的吸附性能。在100 min內(nèi)，對剛果紅的去除率為99%。通過對比發(fā)現(xiàn)，高度分散的銅氧化物復(fù)合在碳?xì)饽z上致使碳?xì)饽z的比表面積變大，從而有效地增大了銅基碳?xì)饽z與剛果紅的接觸面積，因此表現(xiàn)出了優(yōu)異的吸附能力。另外，有文獻(xiàn)報(bào)道，銅氧化物與碳?xì)饽z之間緊密的接觸可能對剛果紅的吸附提供了大量的活性位點(diǎn)。

圖4 銅基碳?xì)饽z、碳?xì)饽z和銅氧化物對剛果紅的吸附性能對比Fig.4 Comparison of adsorption properties of CR with different adsorbent (copper carbon aerogels,carbon aerogels and copper oxide)

3 結(jié)論

通過簡單的浸漬、煅燒制備的銅基碳?xì)饽z，銅氧化物均勻地分散在碳?xì)饽z的孔隙中。與純碳?xì)饽z和銅氧化物相比，銅基碳?xì)饽z對有機(jī)染料污染物剛果紅表現(xiàn)出了優(yōu)異的吸附性能，100 min內(nèi)剛果紅去除率高達(dá)99%。