秸稈基活性炭的制備及對重金屬吸附效果的研究

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)凈水用活性炭二級標(biāo)準(zhǔn)，活性炭對Cd、Cu、Pb吸附量基本為Cd>Cu>Pb。重金屬在混合溶液中發(fā)生競爭吸附，Cd的競爭吸附能力較強(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，通過食物鏈就會存留、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，進(jìn)而危害人類健康，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)

按照國標(biāo)法測定所制活性炭的灰分，按照國標(biāo)《碘吸附值的測定》測定所制活性炭的碘吸附值，再根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)判定活性炭的品質(zhì)。

2.3.4 活性炭對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 微孔濾器過濾，用原子吸收分光光度計(jì)測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的競爭吸附實(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 微孔濾器過濾，用原子吸收分光光度計(jì)測定濾液中重金屬質(zhì)量濃度。計(jì)算活性炭對混合溶液中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)國家測定標(biāo)準(zhǔn)對所制玉米秸稈基活性炭的基本性質(zhì)進(jìn)行檢測，用以初步判定所制活性炭的品質(zhì)，其檢測結(jié)果如下表2，

由表2可見，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，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，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Pb、Cu、Cd的吸附

本實(shí)驗(yàn)選取常見而又危害較大Pb、Cu、Cd三種重金屬為吸附研究對象，分析活性炭對其吸附情況，以探究秸稈基活性炭對重金屬的吸附效果，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的競爭吸附作用

選擇600℃溫度下所制活性炭P2Na1研究活性炭對Pb、Cu、Cd的競爭吸附作用，采用該活性炭分別對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，活性炭對混合溶液中重金屬的吸附值明顯低于對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)生競爭吸附，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，在混合溶液中，活性炭對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)凈水用活性炭二級品標(biāo)準(zhǔn)，且對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Pb、Cu、Cd的吸附能力表現(xiàn)為：Cd>Cu>Pb。在混合溶液中，Pb的競爭吸附能力較強(qiáng)，而稍優(yōu)于Cu被吸附，吸附能力表現(xiàn)為Cd>Pb>Cu。

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