煤基固廢多孔炭的制備及其對廢水中六價(jià)鉻的去除性能研究進(jìn)展＊

王寶鳳 楊夢影 程芳琴

（山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所，CO2 減排與資源化利用教育部工程研究中心，太原，030006）

在煤炭開采和使用過程中會(huì)生產(chǎn)大量煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物，這些固廢的堆存既占用土地又會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染.當(dāng)前，煤基固廢作為大宗固廢，其利用方式主要有如下幾種：一是直接利用，如作為填筑材料用于筑路、回填，或者制備型煤用于燃燒；二是制備建材或者其他材料，如利用煤矸石制備水泥和建筑材料[1]；三是提取有價(jià)元素，粉煤灰中富含鋁、鎵、鋰等有價(jià)元素，可以通過提取工藝對其進(jìn)行回收[2].由于受處理成本和效率的制約，目前煤基固廢的綜合利用率仍不到53.1%[3].推進(jìn)煤基固廢減量化、資源化規(guī)模利用，將其由燃料化應(yīng)用向高值材料化應(yīng)用方面轉(zhuǎn)變是雙碳背景下可持續(xù)發(fā)展的必然要求.由于部分煤基固廢中碳含量較高，將其作為制備炭材料的原料之一，可實(shí)現(xiàn)其高值化利用，因此利用碳含量高的煤基固廢制備多孔炭意義重大.

另一方面，中國人民共和國生態(tài)環(huán)境部于2023 年發(fā)布的《2021 年中國生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，2021 年全國廢水中重金屬（總砷、總鉛、總鎘、總汞、總鉻）排放量為50.5 t[4].其中，鉻作為廢水中的典型重金屬，在環(huán)境中主要以六價(jià)鉻和三價(jià)鉻的形式存在.六價(jià)鉻具有急性毒性、難降解、遷移性強(qiáng)、易富集和致癌性等特點(diǎn)，其毒性是三價(jià)鉻的500 倍[5].與有機(jī)物不同，重金屬不能通過生物降解，在人體內(nèi)積累到一定濃度后會(huì)危害身體健康，而且含鉻廢水還會(huì)對水生生物群落造成嚴(yán)重威脅（如圖1所示）[6-8].因此如何降低廢水中六價(jià)鉻的濃度是目前亟需解決的難題之一.多孔炭作為炭材料的一種，其表面活性官能團(tuán)和重金屬之間存在物理和化學(xué)作用，可以有效去除水體中的重金屬[9-10].基于此，本文綜述了煤基多孔炭制備和改性方法以及其對重金屬吸附性能的研究進(jìn)展，并針對目前的局限性和挑戰(zhàn)對改性多孔炭吸附重金屬未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望.

圖1 典型重金屬對人體的危害[6-8]Fig.1 Hazards of typical heavy metals to humans[6-8]

1 煤基多孔炭的制備（Preparation of coal-based porous carbon）

多孔炭是富碳物質(zhì)在無氧或缺氧條件下生成的一類穩(wěn)定、難溶、高度芳香化的物質(zhì)，是一類具有發(fā)達(dá)孔隙和大比表面積的多孔材料.煤炭資源儲(chǔ)量豐富，具有較高的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性以及易于降解[11]等特點(diǎn)，且價(jià)格相對低廉，因此被廣泛用作制備多孔炭材料的原料.目前制備煤基多孔炭常用的原料主要有煤（包括無煙煤、煙煤和褐煤）、煤焦油、瀝青和煤基固廢（如煤泥、煤氣化渣、煤矸石）等.研究人員發(fā)現(xiàn)，選用不同變質(zhì)程度的煤為原料并采用物理活化法均可制備煤基活性炭，而且制得的煤基活性炭比表面積最大可達(dá)532 m2·g-1，孔體積可達(dá)0.395 cm3·g-1[12].所制備的活性炭具有良好吸附性能，可用于廢水中有機(jī)污染物如亞甲基藍(lán)和重金屬等污染物的吸附.除了煤以外，煤基固廢如煤矸石、煤泥、煤氣化渣等也可以作為制備多孔炭的原料.這些固廢由于來源和產(chǎn)生途徑不同，因此理化性質(zhì)有一定的差異.如：煤泥中主要含有煤粉、煤炭顆粒及巖石顆粒等[13]；煤矸石主要成分則為Al2O3、SiO2和C，同時(shí)還含有一些礦物元素如Fe、K、Ca、Mg、Ti 等[14]；煤氣化渣是原煤氣化過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，其主要由二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化鈣和殘?zhí)嫉冉M成[15].

作為吸附材料，多孔炭吸附能力的強(qiáng)弱取決于其比表面積和孔徑，因此調(diào)控多孔炭孔結(jié)構(gòu)可有效提升其吸附性能.根據(jù)國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）分類方法，將活性炭的孔結(jié)構(gòu)分為：微孔（<2 nm）、中孔（2—50 nm）、大孔（>50 nm）[16]，其中增加微孔數(shù)量可以增大表面積從而促進(jìn)物理吸附；增加中孔數(shù)量可以有利于直接吸附尺寸較大的分子，促進(jìn)污染物擴(kuò)散并加快吸附速率[17]，同時(shí)為物質(zhì)進(jìn)入微孔提供通道.針對不同的目標(biāo)對象，對于多孔炭的孔隙結(jié)構(gòu)有著不同的要求.在氣體吸附中微孔起主要作用，而若是應(yīng)用于水處理中尤其是需要吸附具有較大尺寸的重金屬離子，則是具有較發(fā)達(dá)的中孔結(jié)構(gòu)最為合適[18].目前，制備多孔炭材料常見的方法有熱解法[19]、水熱法[20]、模板法[21]和活化法[11]等（如圖2 所示）.這些制備方法還可以相互聯(lián)用進(jìn)而制備出性能更佳的多孔炭.如模板法與活化法聯(lián)用，可有效調(diào)控活性炭不同尺度孔結(jié)構(gòu)的分布.何孝軍等[22]以煤瀝青為原料、納米Fe2O3為模板和KOH 作為活化劑成功合成了具有層次孔結(jié)構(gòu)的多孔炭，而且發(fā)現(xiàn)活化劑的加入可以有效提高多孔炭材料的比表面積和孔體積.表1 總結(jié)了幾種含碳資源經(jīng)不同工藝制備煤基多孔炭的相關(guān)參數(shù)[23-37].從表1 中可以看出，以煤基固廢為原料經(jīng)適宜的制備方式和改性手段也可制備出性能優(yōu)異的多孔炭；這不僅可以實(shí)現(xiàn)煤基固廢的資源化利用，同時(shí)還可大幅降低吸附劑制備成本，符合雙碳背景下固廢清潔高效低碳利用發(fā)展理念.因此，多種制備方法聯(lián)用是未來合成具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的多孔炭的重要發(fā)展方向之一.

表1 各種煤基多孔炭的制備參數(shù)及孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Preparation parameters and pore structure parameters of various coal-based porous carbon

圖2 制備多孔炭的四種方法：熱解法[19]，水熱法[20]，模板法[21]和活化法[11]Fig.2 Four methods for the preparation of porous carbon: pyrolysis[19],hydrothermal[20],template [21]and activation [11]

1.1 熱解

熱解作為目前較為成熟的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，是原料在惰性氣氛（氮?dú)饣蛘邭鍤猓┫录訜岚l(fā)生水分子蒸發(fā)、高分子降解和高溫分解等一系列物理化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而除去碳源中非碳元素和易揮發(fā)成分，最終得到多孔炭材料的一種技術(shù).目前熱解法主要分為常規(guī)熱解和微波熱解.常規(guī)熱解是指熱量通過傳導(dǎo)、對流和輻射的途徑傳遞到材料表面，原料的受熱過程是由外至內(nèi)；這種加熱方法存在傳熱效率低、熱損高和反應(yīng)時(shí)間長的問題，成本較高.與常規(guī)熱解不同，微波熱解是將電場能轉(zhuǎn)化為熱能從而對原料進(jìn)行加熱，因此其熱量從原料的內(nèi)部向外部擴(kuò)散[38-39].圖3 為這兩種不同熱解方式的加熱原理示意圖[39].目前國內(nèi)外學(xué)者對生物質(zhì)熱解技術(shù)已進(jìn)行了大量研究，有學(xué)者通過微波熱解技術(shù)制備了生物基多孔炭[40-41].由于原煤不能單獨(dú)采用微波加熱完成熱解，因此學(xué)者們使用不同的微波吸收劑輔助煤在微波場下熱解[42]，另外，目前關(guān)于微波熱解制備煤基多孔炭的研究相對較少，還處于探索階段.

圖3 常規(guī)熱解和微波熱解的加熱過程示意圖[39]Fig.3 Schematic diagram of the heating process for conventional and microwave pyrolysis[39]

1.2 水熱碳化

水熱碳化技術(shù)（HTC）是1931 年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Bergius 提出的將纖維素類生物質(zhì)通過相對較低的溫度（150—300 ℃）和自生壓力的水熱條件下轉(zhuǎn)化為煤樣材料的一種綠色技術(shù)，該方法是一種模擬天然成煤機(jī)理的快速炭化方法[43].圖4 是水熱碳化法合成多孔炭的路線示意圖[44].在該過程中，主要發(fā)生水解、脫水、聚合和芳構(gòu)化反應(yīng)等一系列化學(xué)反應(yīng).目前有研究人員利用秸稈類生物質(zhì)或污泥等與煤或煤基固廢進(jìn)行共水熱碳化，研究發(fā)現(xiàn)，在此過程中煤基原料的加入會(huì)對水熱碳化起到促進(jìn)作用.作者課題組前期利用高硫煤泥和污泥進(jìn)行共水熱碳化制備原位硫氮摻雜多孔炭，發(fā)現(xiàn)在共水熱碳化過程中兩者存在協(xié)同作用，共水熱碳化有利于提高水熱炭的碳含量和水熱炭質(zhì)量產(chǎn)率[45].和傳統(tǒng)的多孔炭吸附劑相比，水熱炭的比表面積相對較小，孔隙也不太發(fā)達(dá)，但表面含有大量含氧官能團(tuán)（—OH、C=O、O—C＝O 等），使水熱炭表面顯負(fù)電性，利于吸附水中重金屬離子等帶正電荷的污染物[46].

圖4 水熱碳化法合成多孔炭材料的路線[44]Fig.4 Hydrothermal route for the synthesis of porous carbon materials[44]

1.3 模板法

模板法也是制備多孔炭非常重要的方法之一，通過模板法制備多孔炭可以更好的調(diào)控其孔徑分布和孔體積，從而獲得具有高比表面積和更均勻孔徑分布的有序碳結(jié)構(gòu).模板法根據(jù)其模板自身組分和性質(zhì)可分為軟模板和硬模板兩種.其中，軟模板法是利用含碳物質(zhì)和嵌段共聚物（模板劑）制備具有有序結(jié)構(gòu)的材料，然后經(jīng)高溫?zé)峤馐鼓０鍎┓纸庹舭l(fā)而在碳材料內(nèi)部留下適當(dāng)?shù)目椎囊环N方法[47].硬模板法是將碳前驅(qū)體引入到具有有序孔結(jié)構(gòu)模板（沸石、二氧化硅和陽極氧化鋁等）的孔道中，經(jīng)高溫碳化后再利用酸或堿處理去除模板后制備得到多孔炭材料[48].硬模板法制備過程相對復(fù)雜且制備所得的多孔炭比表面積相對較低，但對于多孔炭結(jié)構(gòu)的調(diào)控較軟模板法精準(zhǔn).相較于硬模板法，軟模板法不用洗去模板劑，但模板劑成本較高[49].

當(dāng)前，關(guān)于模板法制備多孔炭的研究備受關(guān)注.有研究者利用Fe2O3納米顆粒充當(dāng)模板來構(gòu)建分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)（圖5 為三維互連的Fe-N 摻雜分級(jí)多孔炭材料制備示意圖），所制備的碳材料具有理想的孔結(jié)構(gòu)和比表面積（1644 m2·g-1）[50].He 等[51]以KMnO4氧化后的煤瀝青為原料，NaCl 為綠色模板，制備了一種新型的富氧三維多孔炭，該材料表現(xiàn)出較高的比電容（在0.5 A·g-1下為306 F·g-1）和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（10000 次循環(huán)后比電容保持率為99.7%）.此外，將模板法與活化法聯(lián)用可進(jìn)一步提高碳材料的比表面積、孔體積和微孔率.邱介山[52]、何孝軍[53-54]等以煤瀝青、煤焦油等煤基衍生物為碳源，模板法聯(lián)用KOH 活化法制備了具有較好孔隙結(jié)構(gòu)的煤基活性炭.Jiang 等[55]以ZnO 為模板，采用碳化和KOH 活化聯(lián)合的方式制備了煤瀝青基多孔炭，該多孔炭具有大的比表面積（2059.43 m2·g-1）和分級(jí)孔結(jié)構(gòu)（主要是微孔和中孔）.由此可見，模板法聯(lián)用活化法是制備煤基活性炭很具前景的一種方法.

圖5 3D 互連的摻雜Fe-N 的分級(jí)多孔炭制備示意圖[50]Fig.5 Schematic of the preparation of graded porous carbon doped with Fe-N for 3D interconnections[50]

1.4 活化法

在多孔炭材料的制備工藝中，活化法常與其他制備工藝聯(lián)用.活化主要起三個(gè)作用：開放原來的閉塞孔、擴(kuò)大原有孔隙和形成新的孔隙.根據(jù)活化劑的不同，可分為物理活化和化學(xué)活化（如圖6 所示[11,17,56]）.物理活化是通過CO2[57-58]、水蒸氣[59]、氨氣[60]以及空氣或其混合氣體等氧化性氣體，在高溫下選擇性氧化樣品非晶區(qū)的部分組分和晶區(qū)結(jié)構(gòu)上的活性位點(diǎn)，從而生成孔隙結(jié)構(gòu)[61].化學(xué)活化則是利用化學(xué)試劑通過浸漬或混合等方式和原料之間反應(yīng)生成氣體從而產(chǎn)生更多孔道，進(jìn)而制備出具有較大比表面積和孔體積的多孔炭[62].目前，具有代表性的活化劑有KOH、H3PO4、KHCO3等.圖7 為化學(xué)活化過程中KOH 活化反應(yīng)機(jī)理示意圖，在此過程中，主要有四個(gè)步驟，分別為脫水反應(yīng)，還原反應(yīng)，氧化反應(yīng)，水合反應(yīng)，反應(yīng)總方程如公式（1）所示[63]：

圖6 （a）典型的物理活化與化學(xué)活化[11]；（b）一步活化法與兩步活化法流程示意圖[17,56]Fig.6 （a）Typical physical versus chemical activation [11];（b）Schematic diagram of the one-step versus two-step activation process [17,56]

圖7 KOH 活化反應(yīng)機(jī)理示意圖[63]Fig.7 Schematic diagram of the mechanism of the KOH activation reaction[63]

活化法制備多孔炭的工藝包括炭化過程以及活化過程，根據(jù)活化步驟可以分為一步活化法和兩步活化法（如圖6（b）所示）.一步活化法是將原料先與化學(xué)試劑浸漬或者混合再進(jìn)行高溫炭化，或者原料在高溫管式爐先炭化再改變氣氛直接進(jìn)行物理活化.以煤瀝青（CTP）為碳源，KOH 為活化劑，采用一步碳化活化法可制備出高性能分級(jí)多孔炭材料[64].Liu 等[65]將二茂鐵、寧夏焦煤和KOH 通過一步法制備出了磁性多孔炭.由于KOH 的活化作用和磁性組分的引入，使多孔碳材料的比表面積最大可達(dá)1188 m2·g-1，總孔隙率達(dá)到0.50 cm3·g-1.Zhu 等[66]以準(zhǔn)東煤和FeCl3為原料，利用CO2為活化劑一步法制備出了磁性煤基多孔炭，所制備的多孔炭具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)，其微孔和中孔體積分別達(dá)到0.282 cm3·g-1和0.222 cm3·g-1，并且研究結(jié)果顯示Fe 元素不僅對中孔的發(fā)展起促進(jìn)作用，而且還可以使其在外加磁場的作用下加速固液分離，提高吸附劑的重復(fù)利用率.兩步活化法是指將通過熱解、水熱或模板法等得到的初始碳化體再通過物理/化學(xué)活化法進(jìn)行活化的一種方法，也是目前最為常見的活化方式.由于炭化過程可以形成初始的孔隙結(jié)構(gòu)，其初始優(yōu)異的孔隙結(jié)構(gòu)是活化過程的基礎(chǔ)[67]，因此兩步活化可以有效提高多孔炭比表面積和孔隙.

另外，需要提及的是，作為典型的含碳固廢，煤基固廢普遍存在灰分含量高的特點(diǎn).煤基固廢中高含量的無機(jī)礦物質(zhì)對多孔炭的制備影響較為復(fù)雜.當(dāng)前，對于煤基炭材料中礦物質(zhì)的影響，大多是通過對比脫除礦物質(zhì)所前后所制備的炭材料的孔結(jié)構(gòu)、性能等的差異來揭示其內(nèi)在影響機(jī)制[68].一般認(rèn)為原料中灰分過高不利于活化反應(yīng)的進(jìn)行[69]，且礦物質(zhì)的存在會(huì)影響其孔的形成，降低比表面積.如：徐園園等[70]通過水蒸氣活化脫灰前后的新疆煤制備煤基活性炭，發(fā)現(xiàn)脫灰后產(chǎn)物的比表面積從1285 m2·g-1增加到了1373 m2·g-1，表明煤基多孔炭的結(jié)構(gòu)與其內(nèi)在礦物質(zhì)有關(guān)，脫除礦物質(zhì)后會(huì)增加其比表面積，進(jìn)而使其吸附性能增強(qiáng).但也有研究者認(rèn)為礦物質(zhì)又會(huì)作為自模板，促進(jìn)孔的形成[71-72].如：高碳、高灰分的煤基固廢煤液化殘?jiān)?，其?nèi)在礦物質(zhì)主要是硅鋁酸鹽等物質(zhì).以煤液化殘?jiān)鼮樘荚春湍０鍎?、KOH 為活化劑，通過自模板法一步炭化可制備出同時(shí)含有微孔、介孔和大孔的分級(jí)多孔炭（比表面積為1787 m2·g-1）[71]，在此過程中煤液化殘?jiān)械牡V物質(zhì)與KOH 反應(yīng)形成可溶性鹽，經(jīng)洗滌后在礦物質(zhì)的原始位置形成了孔隙，同時(shí)KOH 還具有活化作用[72].

由于多孔炭的孔結(jié)構(gòu)分布、表面官能團(tuán)含量及類型等都會(huì)影響其應(yīng)用效果，因此比表面積并不是唯一判斷多孔炭性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn).有研究顯示，一步活化法得到多孔炭是微孔、介孔和大孔同時(shí)存在的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，而兩步活化法制備的多孔炭材料只含有微孔和少量介孔[73]，而且一步活化法制備的活性炭的表面官能團(tuán)較兩步活化法制備的活性炭的表面官能團(tuán)含量較高[74].由于不同來源 煤基固廢理化性質(zhì)差異較大，而且所制備的多孔炭材料可能會(huì)應(yīng)用于吸附、催化和儲(chǔ)能等多個(gè)領(lǐng)域，因此煤基固廢多孔炭制備工藝應(yīng)根據(jù)其相應(yīng)的應(yīng)用性能要求做出合適的選擇.

2 煤基多孔炭的摻雜改性方法（Doping modification method for coal-based porous carbon）

除多孔炭孔結(jié)構(gòu)以外，重金屬離子與吸附劑表面官能團(tuán)之間的物理和化學(xué)作用也會(huì)影響其對重金屬的吸附性能[75-76].豐富的表面活性官能團(tuán)對于多孔炭材料的表面化學(xué)性質(zhì)和重金屬的吸附起著至關(guān)重要的作用[77].目前關(guān)于雜原子摻雜對多孔炭的改性研究已有很多報(bào)道（見表2）[27,28,76,78-85].雜原子摻雜可以通過增加特定官能團(tuán)改善多孔炭吸附劑表面性能，增強(qiáng)其表面化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[77,86-87]，從而使多孔炭材料在吸附重金屬時(shí)具有更好的選擇性[88-92].在炭材料表面引入非金屬元素氮、硫或金屬元素鐵等雜原子后，這些雜原子都可以在炭表面形成不同官能團(tuán)（如圖8 所示），進(jìn)而增強(qiáng)其對重金屬的吸附能力.

表2 多孔炭雜原子摻雜改性Table 2 Porous carbon modified by heteroatom doping

圖8 典型官能團(tuán)改性多孔炭吸附劑技術(shù)[17,92]Fig.8 Typical functional group modified porous carbon adsorbent technology [17,92]

2.1 氮原子摻雜

在元素周期表中，氮原子與碳原子鄰位，其原子半徑與碳原子接近，摻雜氮原子后對碳材料的晶格畸變影響較小[93]，而且因?yàn)榈拥膬r(jià)電子層比碳原子多一個(gè)電子，氮原子能夠做為電子供體，提高氮摻雜碳材料的電導(dǎo)率[94]，因此氮是炭材料雜原子摻雜的理想元素之一.氮摻雜通常是通過碳與氨、尿素或胺等反應(yīng)來實(shí)現(xiàn).圖9 為典型的氮元素改性多孔炭示意圖，通過氮摻雜，可以將含氮官能團(tuán)引入碳表面，進(jìn)而增強(qiáng)多孔炭對重金屬的吸附能力[17].

圖9 典型氮元素改性多孔炭吸附劑手段[17]Fig.9 Typical elemental nitrogen modified porous carbon adsorbent means[17]

材料中摻雜的氮元素通常被分為化學(xué)氮和結(jié)構(gòu)氮.化學(xué)氮是指以功能型表面官能團(tuán)形式存在于材料上的氮，比如胺基和亞硝基.結(jié)構(gòu)氮?jiǎng)t是指直接與碳骨架相連的氮原子，比如吡啶型氮、吡咯型氮和石墨型氮.根據(jù)Lewis 酸堿理論，表面含有堿性官能團(tuán)可以增強(qiáng)活性炭表面與重金屬離子的反應(yīng).含氮官能團(tuán)的存在可使多孔炭材料更易與重金屬離子結(jié)合，使得金屬離子可以更加均勻的分散在炭材料表面[95]；因此，增加多孔炭材料表面含氮官能團(tuán)可以明顯改善其表面的親水性，提高其對重金屬離子的吸附性能.摻雜氮的活性炭對Cu（Ⅱ）的吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻氮后具有較高的初始吸附速率和吸附容量[78].此外，研究還發(fā)現(xiàn)吸附性能不僅與結(jié)構(gòu)表面含氮總量有關(guān)，還與特定氮官能團(tuán)類型密切相關(guān)，氮元素的存在形式會(huì)影響重金屬離子吸附性能.如：以吡咯氮和胺基的形式存在的氮可以與重金屬離子發(fā)生結(jié)合作用，對重金屬離子的去除起促進(jìn)作用，而石墨型氮卻不能很好的與重金屬離子結(jié)合[96].

2.2 硫原子摻雜

硫作為一種富含電子的活性元素，也是常見的摻雜元素之一.引入硫原子可以在碳原子附近誘導(dǎo)出許多有利于反應(yīng)的活性位點(diǎn)[97-98].近年來，硫摻雜除用于多孔炭材料的改性外，也常用于氧化石墨烯、碳納米管、層狀雙金屬氫氧化物和凹凸棒石等材料.與氮原子摻雜手段相似，也可以通過加熱或酸處理等方式實(shí)現(xiàn)硫原子摻雜.碳與單質(zhì)硫、SO2、H2S、Na2S、K2S 和二甲基二硫化物等硫化劑反應(yīng)，會(huì)在炭吸附劑表面引入含硫官能團(tuán)（如C—S、C=S 或S=O），或是以噻吩和氧化硫種SOx的形式存在于碳面邊緣區(qū)域或缺陷部位[99].根據(jù)摻雜和炭化的先后順序，可分為原位摻雜和后處理兩種.原位摻雜是指在炭化過程中摻雜硫原子，后處理是指在炭化后對碳骨架進(jìn)行修飾.硫原子的摻雜不僅可以在多孔炭表面形成含硫官能團(tuán)，還會(huì)改變多孔炭的孔結(jié)構(gòu).合適的處理?xiàng)l件下?lián)诫s硫原子會(huì)使表面積和孔體積增加，并避免可能會(huì)出現(xiàn)的含硫顆粒堵塞孔隙進(jìn)而造成表面積和孔隙體積減少的現(xiàn)象發(fā)生[100].

在硫摻雜多孔碳對重金屬吸附方面，有研究表明硫摻雜碳材料中豐富的含硫基團(tuán)（如C—SO3—C、C—SO2—C 和C—S—C 等）可通過與重金屬離子形成強(qiáng)的共價(jià)鍵而實(shí)現(xiàn)對重金屬離子的去除[101].另外，金屬硫化物納米材料通過硫與重金屬離子之間的軟硬酸堿效應(yīng)，也表現(xiàn)出對重金屬離子吸附特異的選擇性[102].類石墨烯碳載層狀雙金屬氫氧化物在摻雜硫原子后可提高對Cd（Ⅱ）和Co（Ⅱ）的吸附性能[101].此外，何靜等[103]通過水熱反應(yīng)合成了硫摻雜凹凸棒石復(fù)合材料并將其用于吸附Pb（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）.研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)5 次再生實(shí)驗(yàn)后吸附率分別達(dá)68.7%和55.78%[97].Zhang 等[104]以硫代硫酸鈉為硫源制備了硫摻雜材料，并用于去除水溶液中的四環(huán)素-六價(jià)鉻復(fù)合污染物；通過再生實(shí)驗(yàn)證明所制備的材料對污染物有較高的去除效率，而且還可以重復(fù)使用.但是，需要指出的是，由于C—S 鍵的強(qiáng)度弱于C—C 鍵，因此摻雜硫后的碳材料穩(wěn)定性較差[97].因此，關(guān)于硫摻雜碳材料可能引起的潛在危害以及其性能優(yōu)化方面的研究還有待進(jìn)一步深入.

2.3 鐵原子摻雜

在多孔炭制備過程中，添加金屬、金屬鹽及其氧化物也可以在炭化和活化過程中調(diào)控多孔炭孔結(jié)構(gòu)，提升其吸附性能.這些添加劑可以在保留多孔炭原本較高比表面積和豐富有機(jī)官能團(tuán)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對多孔炭的改性.目前，鐵原子摻雜的工藝主要有浸漬法和原位合成法.浸漬法是將活性炭與含鐵溶液混勻浸漬再經(jīng)過一系列后續(xù)處理，最終得到鐵摻雜多孔炭.原位合成法是直接利用鐵源或者在原料中添加鐵離子，經(jīng)過活化得到負(fù)載鐵離子的活性炭產(chǎn)物[105].

研究人員發(fā)現(xiàn)加入鐵元素可以催化活化過程，在炭化過程中可催化氣化反應(yīng)并有助于中孔的形成[106].如褐煤與鐵、鎳、鈷的乙酞丙酮化物在一定條件下混合活化后，制得的多孔炭中孔率會(huì)明顯提升，而且這幾種金屬中鐵的效果最佳[107].另外，研究還發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3O4可以促進(jìn)孔隙發(fā)育[81]、提高其表面積和表面官能團(tuán)（Fe—O、Fe—OOH、C—O 和O—H）[108]，而零價(jià)鐵則具有強(qiáng)還原性和遷移性能好等特點(diǎn)，并且磁鐵礦負(fù)載多孔炭還可以使其具有磁性便于固液分離[109].此外，研究還發(fā)現(xiàn)，由三氯化鐵負(fù)載煤（鐵含量為3%）衍生的多孔炭具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)（其微孔和中孔體積最高）[66]，負(fù)載三氯化鐵可以提升其對六價(jià)鉻的吸附量[110].這可能是由于材料表面的Fe（Ⅱ）將Cr（Ⅵ）還原為Cr（Ⅲ）[111].此外，考慮到吸附材料需要回收利用，有研究者將由Fe3O4改性合成的磁性吸附劑在0.1 mol·L-1的NaOH 溶液進(jìn)行解吸處理，循環(huán)4 次后才發(fā)現(xiàn)其對Cr（Ⅵ）的去除性能開始呈緩慢降低趨勢，說明該材料具有較好的可重復(fù)使用性[108,112].另外，利用赤泥進(jìn)行改性后的多孔炭對Cr（Ⅵ）也表現(xiàn)出較好的吸附和還原性能，并且還可以通過外加磁場進(jìn)行回收，從而進(jìn)一步降低了成本[81].此外，董建華[113]采用真空煅燒還原法處理吸附Cr（Ⅵ）后的鐵摻雜多孔炭，發(fā)現(xiàn)具有一定的再生效果；但由于其局限性，目前利用該方法尚未實(shí)現(xiàn)其完全再生.另外，需要指出的是，由于材料表面負(fù)載的零價(jià)鐵在與Cr（Ⅵ）反應(yīng)后會(huì)生產(chǎn)成CrxFe1-x（OH）3和FeCr2O4的鈍化層，從而降低材料利用效率、阻礙反應(yīng)的進(jìn)行，因此有研究者在鐵摻雜的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行硫化改性.硫化改性后，會(huì)形成FeSx，可協(xié)同提高零價(jià)鐵的電子傳遞能力和吸附材料對水體中Cr（Ⅵ）的吸附、還原能力[114].如：劉麗等[115]通過用硫代硫酸鈉對零價(jià)鐵進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)硫化后的材料對Cr（Ⅵ）的去除量是之前的3 倍；硫原子摻雜后使得材料在堿性條件下對Cr（Ⅵ）的去除能力明顯提升，彌補(bǔ)了其他材料在堿性條件下對Cr（Ⅵ）去除效率低的不足[116].由此可見，鐵原子摻雜多孔炭在水污染修復(fù)領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力[109].

通過上述分析可知，氮原子摻雜可以使吸附劑表面富含堿性官能團(tuán)，通過生成吡咯氮和胺基的形式增強(qiáng)重金屬離子之間結(jié)合作用，從而提高其對重金屬的吸附容量.硫改性后的多孔炭，不僅可以改變其表面的電荷分布，還能與重金屬離子形成強(qiáng)烈的共價(jià)鍵[117].此外，金屬元素鐵不僅可以對多孔炭賦磁改性，還能夠催化炭化和活化過程，增加中孔率，進(jìn)而提高其對具有較大尺寸的重金屬離子的吸附性能.由此可見，硫氮及鐵元素?fù)诫s改性后的碳材料在重金屬廢水凈化處理中都有良好的應(yīng)用前景.

3 煤基多孔炭對六價(jià)鉻的吸附性能研究進(jìn)展（Progress on the adsorption of hexavalent chromium on coal-based porous carbon）

廢水中重金屬離子種類較多，是一個(gè)相對復(fù)雜的復(fù)合體系.廢水中的重金屬離子除汞、砷、鉛外，鉻因具有高毒性和致癌性，因此也一直是環(huán)境領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn).鉻離子在水體中主要以六價(jià)鉻和三價(jià)鉻兩種形式存在，其中六價(jià)鉻又主要以HCrO4-、Cr2O72-和CrO42-形態(tài)存在（見圖10），其毒性、氧化能力和遷移能力都比三價(jià)鉻更強(qiáng).

圖10 六價(jià)鉻在不同pH 體系下的存在形式[118]Fig.10 Presence of hexavalent chromium in different pH systems[118]

多孔炭可以通過與重金屬離子發(fā)生吸附反應(yīng)從而降低其在水中的濃度[119].目前關(guān)于多孔炭用于廢水中重金屬吸附的研究較多，尤其是對環(huán)境危害比較大的Hg、As、Cr 等重金屬的吸附研究更多，其吸附機(jī)理如圖11 所示.大量研究結(jié)果表明，去除廢水中重金屬離子的機(jī)理主要為：靜電作用、離子交換作用、表面絡(luò)合作用、沉淀作用和吸附作用（如圖11（a）所示）[17]5 種機(jī)理.不同的吸附劑和吸附條件都會(huì)影響Cr（Ⅵ）的吸附性能，而且吸附機(jī)理也不盡相同，下面將圍繞影響煤基多孔炭去除Cr（Ⅵ）的因素、多孔炭對六價(jià)鉻的吸附機(jī)理和多孔炭吸附真實(shí)廢水中的六價(jià)鉻三個(gè)方面內(nèi)容進(jìn)行綜述.

圖11 （a）重金屬的5 種吸附機(jī)制[17]；（b）Hg 的吸附機(jī)理示意圖[81]；（c）As 的吸附機(jī)理示意圖[120-121]；（d）Cr 的吸附機(jī)理示意圖[81]Fig.11 （a）Five sorption mechanisms for heavy metals[17];（b）schematic diagram of the sorption mechanism for Hg [81];（c）schematic diagram of the sorption mechanism for As [120-121];（d）schematic diagram of the sorption mechanism for Cr [81]

3.1 影響煤基多孔炭去除Cr（Ⅵ）的因素

多孔炭自身的理化性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)等都會(huì)影響其對重金屬的吸附效果.除此之外，如溶液的初始pH 值、重金屬離子的初始濃度、吸附劑的投加量和復(fù)雜體系中離子間的相互作用等也會(huì)對吸附效果產(chǎn)生影響.

3.1.1 溶液pH 值

溶液的初始pH 值是影響重金屬吸附過程的重要因素之一，它不僅會(huì)影響吸附劑表面化學(xué)性質(zhì)，還會(huì)影響重金屬離子的存在形態(tài)和官能團(tuán)的絡(luò)合行為[17].在一定的pH 范圍內(nèi)，大部分金屬吸附量會(huì)隨著pH 的增加而增加，當(dāng)pH 達(dá)到一定值后，吸附量又隨著pH 的增加而降低.其主要原因是電荷零點(diǎn)的pH 值（pHzpc）和介質(zhì)pH 之間的關(guān)系，影響表面帶電性質(zhì)[8].在pH 值為1.0—3.0 的條件下，多孔炭對Cr（Ⅵ）可以達(dá)到較好的吸附效果[122]（如表3 所示[24,118,122-125]）.因?yàn)槎嗫滋康牧汶姾牲c(diǎn)多為中性，因此當(dāng)pH 值為2.0—7.0 時(shí)，多孔炭表面帶正電荷；由于Cr（Ⅵ）常以Cr2O72-、CrO42-和HCrO4-等陰離子形式存在于水溶液中，帶正電荷的多孔炭和陰離子形式存在的Cr（Ⅵ）在異性電荷相吸的作用下對吸附起到促進(jìn)作用，同時(shí)強(qiáng)酸性溶液中大量的H+能中和活性炭表面負(fù)電荷，有利于Cr2O72-、HCrO4-擴(kuò)散[126]和吸附與還原[127].

表3 部分煤基多孔炭吸附六價(jià)鉻的最佳條件Table 3 Optimal conditions for the adsorption of hexavalent chromium on some coal-based porous carbon

3.1.2 吸附溫度

溫度是物理化學(xué)過程中最常見的參數(shù)之一，對重金屬的吸附和去除有重要影響[128].煤質(zhì)活性炭對Cr（Ⅵ）去除率隨溫度的升高均有明顯提升，相同條件下將溫度從25 ℃升溫至70 ℃，吸附率將會(huì)從50.20%提高到75.83%[122]，溫度和去除率呈正相關(guān)，這也表明這一過程為吸熱過程[110,129].一方面可能是因?yàn)殡S溫度升高，離子擴(kuò)散速率加快，多孔炭對Cr（Ⅵ）的吸附速率也加快，吸附容量也相應(yīng)提高；另一方面可能是隨溫度升高，吸附反應(yīng)的活化能降低，從而使吸附反應(yīng)更容易進(jìn)行[122].

3.1.3 吸附劑投加量

研究發(fā)現(xiàn)，Cr（Ⅵ）去除效率和吸附容量隨吸附劑用量而變化，這是由于改變吸附劑的投加量可以改變吸附的活性位點(diǎn)和官能團(tuán)總量.Wu 等[130]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吸附劑投加量由1 g·L-1增加至3.5 g·L-1時(shí)，Cr（Ⅵ）的去除率從50.1% 提高到97.2%，但是Cr（Ⅵ）的吸附量從50.0 mg·g-1降低到27.8 mg·g-1.在溶液中Cr（Ⅵ）的含量不變的條件下，吸附劑量增加可以提供更多的吸附位點(diǎn)，從而去除率逐漸增加，直至其穩(wěn)定；但是由于Cr（Ⅵ）含量是恒定的、有限的，隨著吸附的活性位點(diǎn)增加，單位吸附劑的利用效率會(huì)降低[130-131]，因此吸附劑投加量與吸附率呈正相關(guān)，而與吸附容量呈負(fù)相關(guān).

3.2 煤基多孔炭吸附六價(jià)鉻的機(jī)理研究

3.2.1 吸附熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)

通過熱力學(xué)分析可以判斷反應(yīng)是否能夠發(fā)生，而動(dòng)力學(xué)則是研究反應(yīng)速率快慢的問題.對于吸附熱力學(xué)而言，常用的吸附等溫線模型包括Freundlich、Langmuir 和D-R 等.而常見的吸附動(dòng)力學(xué)模型則包括偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、偽二階動(dòng)力學(xué)模型和粒子內(nèi)擴(kuò)散模型[132-133]，而且還可以通過標(biāo)準(zhǔn)差（SD）和系數(shù)（R2）來評估每個(gè)模型的適用性.研究發(fā)現(xiàn)，SD 越低、R2越高，則表明動(dòng)力學(xué)模型的適合性越好.

仇雅麗等[24]利用赤泥和煤制備多孔炭材料吸附水中其吸附Cr（Ⅵ），發(fā)現(xiàn)該吸附過程符合Freundlich 吸附機(jī)制，其吸附動(dòng)力學(xué)可用準(zhǔn)一級(jí)或準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程描述.楊慧芬等[123]利用赤泥和煤泥通過碳熱還原法制備磁性多孔炭材料，并用于吸附水中六價(jià)鉻；其吸附動(dòng)力學(xué)和等溫吸附研究表明，此材料對水中Cr（Ⅵ）的吸附以化學(xué)吸附為主的，最大吸附量為86.88 mg·g-1，Cr（Ⅵ）在吸附材料表面的吸附過程接近單層吸附.另外，Beksissa 等[118]研究了表面二階動(dòng)力學(xué)模型，為Cr（Ⅵ）在褐煤制備的活性炭上的吸附速率提供了最佳擬合.從文獻(xiàn)報(bào)道來看，多孔炭材料吸附水中六價(jià)鉻的熱力學(xué)多數(shù)符合Langmuir 模型，吸附方式以化學(xué)吸附為主.但是對于動(dòng)力學(xué)模型卻沒有較好的統(tǒng)一（見表4），這可能是因?yàn)樵虾椭苽涔に嚨牟煌瑢?dǎo)致多孔炭結(jié)構(gòu)和性能具有差異性.

表4 煤基多孔炭吸附六價(jià)鉻的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)模型Table 4 Kinetic and isotherm models for the adsorption of hexavalent chromium on coal-based porous carbon

3.2.2 吸附機(jī)理

改性后的多孔炭表面負(fù)載有豐富的活性官能團(tuán)，這些官能團(tuán)與重金屬之間的絡(luò)合、氧化還原作用等都會(huì)對吸附一定影響，因此，改性后的多孔炭對重金屬離子具有更好的吸附選擇性.如：sp3 雜化的吡咯氮具有富電子結(jié)構(gòu)，使其容易給電子從而與具有氧化性的Cr（Ⅵ）發(fā)生氧化還原作用[135]；巰基對Pb（Ⅱ）離子具有良好親和性，可以與Pb（Ⅱ）離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物[136]等.在吸附過程中，影響吸附效果的因素有很多，另外不同材料制備的多孔炭對重金屬Cr（Ⅵ）的吸附機(jī)理也不同.研究發(fā)現(xiàn)，煤與赤泥共熱解制備的鐵炭復(fù)合材料對Cr（Ⅵ）也有良好的吸附效果，而且當(dāng)赤泥與煤的質(zhì)量比為1：3、炭化溫度為800 ℃、炭化時(shí)間為60 min 時(shí)制備的鐵炭復(fù)合材料對Cr（Ⅵ）吸附效果最好，并且在溶液pH=3.0 時(shí)可同時(shí)達(dá)到Cr（Ⅵ）的最好吸附效果和鐵的最低溶出量[28].此外，利用金屬氧化物對多孔炭進(jìn)行表面改性也可顯著改善其對Cr（Ⅵ）的吸附性能.通過負(fù)載納米零價(jià)鐵對多孔活性炭球進(jìn)行改性，改性后的材料比表面積達(dá)1032.09 m2·g-1，可有效去除廢水中Cr（Ⅵ），且在循環(huán)利用5 次后其對Cr（Ⅵ）的去除率仍在60%以上[137].多孔炭吸附Cr 機(jī)理也主要包括離子交換、氧化還原、表面絡(luò)合、靜電吸引和表面吸附作用（如圖12 所示）[124,130,138].

圖12 多孔炭吸附六價(jià)鉻機(jī)理示意圖[124,130,138]Fig.12 Schematic diagram of the mechanism of hexavalent chromium adsorption on porous carbon [124,130,138]

煤基多孔炭吸附Cr（Ⅵ）的過程主要為物理吸附和化學(xué)吸附共同作用，并通過靜電相互作用、氧化還原、表面絡(luò)合[139]和離子交換的形式結(jié)合（公式（2）—（3））[108]，煤基多孔炭豐富的孔隙和表面官能團(tuán)對于Cr（Ⅵ）的去除非常重要[122,133,140].

研究發(fā)現(xiàn)，表面上存在的電荷對多孔炭吸附Cr（Ⅵ）起重要作用，當(dāng)pH

前期研究發(fā)現(xiàn)，利用煤矸石可制備出分層多孔炭吸附劑，制備的吸附劑對Cr（Ⅵ）具有良好的吸附性能，吸附容量為320.5 mg·g-1，而且對Cr（Ⅵ）的吸附主要為化學(xué)吸附[125].煤矸石吸附Cr（Ⅵ）主要是通過氧化還原作用，這是因?yàn)樵谒嵝詶l件下煤矸石中的菱鐵礦和黃鐵礦變?yōu)镕e（Ⅱ）、S 和H2S 等還原性物質(zhì)，Cr（Ⅵ）被還原成Cr（Ⅲ），F(xiàn)e（Ⅱ）和S、H2S 被Cr（Ⅵ）分別氧化成Fe（Ⅲ）和SO42-[142].此外，研究還發(fā)現(xiàn)在多孔炭表面負(fù)載Fe0或鐵的氧化物后對Cr（Ⅵ）具有良好的絡(luò)合（見公式（4））[143]和還原作用，鐵炭材料表面的Fe0將Cr（Ⅵ）還原成Cr（Ⅲ），隨后生成Fe（Ⅱ）/Fe（Ⅲ）和鉻離子反應(yīng)，見公式（5）—（8）[21,143-144].同時(shí)伴隨著H＋的消耗，溶液pH 的升高致使Fe–Cr 氫氧化物沉淀在鐵炭材料上，在此過程中發(fā)生的反應(yīng)見公式（9）—（10）[111].

通過文獻(xiàn)報(bào)道可知，多孔炭吸附Cr（Ⅵ）的機(jī)理可歸納為：Cr（Ⅵ）先通過靜電作用吸附到材料表面，其中部分Cr（Ⅵ）被C—O[111]或者質(zhì)子化官能團(tuán)還原為Cr（Ⅲ）；其次，通過與溶液中的陽離子如H+、Al3+和Zn2+等發(fā)生離子交換反應(yīng)，或表面官能團(tuán)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)（主要是—COOH、C—O 和—OH）等方式將大量Cr（Ⅲ）吸附到材料上，而剩余的Cr（Ⅲ）和Fe（Ⅲ）生成共沉淀產(chǎn)物或者被釋放到溶液中[138,145].

3.3 多孔炭吸附真實(shí)廢水中的六價(jià)鉻研究進(jìn)展

實(shí)際含鉻廢水與模擬的含鉻廢水有所不同，兩者的理化性質(zhì)和共存離子存在情況有一定的差異.一般認(rèn)為，真實(shí)廢水中存在的其他重金屬和陰離子（如硫酸鹽、鈣、鎂、銅、鎘、鐵等離子）會(huì)在一定程度上干擾Cr（Ⅵ）的吸附[146].王華斌[81]發(fā)現(xiàn)1.0 g 赤泥改性后的多孔炭能夠凈化0.3 L 實(shí)際的電鍍廢水，低于模擬含Cr（Ⅵ）廢水處理量（0.8 L）.Pholosi 等[146]比較了合成廢水和實(shí)際廢水中Cr（Ⅵ）的去除率，發(fā)現(xiàn)用磁性松果復(fù)合材料吸附時(shí)，Cr 的去除率分別為43.18%和35.03%，去除率降低的原因一方面可能是真實(shí)廢水中的陰、陽離子和Cr（Ⅵ）活性位點(diǎn)之間存在競爭，另一方面可能也與多孔炭對Cr（Ⅵ）的選擇性有關(guān).然而，也有研究表明共存的Ca2+、Na+等陽離子或Cl-、NO3-等陰離子并不會(huì)對鉻的去除率產(chǎn)生負(fù)面影響，共存離子存在時(shí)，對Cr（Ⅵ）的吸附性能僅下降不到2%[108].總體來看，目前研究者還主要是通過模擬含鉻廢水來研究多孔材料對六價(jià)鉻的吸附性能和機(jī)理，關(guān)于多孔炭對真實(shí)含鉻廢水中Cr 的去除性能及機(jī)理還有待進(jìn)一步研究.

4 結(jié)語（Conclusion）

在煤炭開采和加工過程中產(chǎn)生的煤矸石、煤泥、煤氣化渣等煤基固廢，可通過熱解、水熱碳化以及模板法和活化法等方法制備多孔炭.在制備過程中，原料的理化性質(zhì)、制備方法及工藝（升溫速率、終溫及時(shí)間）等在一定程度上都會(huì)影響多孔炭性能.此外，氮、硫、鐵等雜原子摻雜也會(huì)影響多孔炭的性能.氮、硫原子作為炭材料常見的摻雜元素，目前常見的摻雜方式主要有原位摻雜和后處理兩種.引入氮、硫原子后可以通過改變材料表面的電子特征和官能團(tuán)來提升材料的吸附性能，如在碳結(jié)構(gòu)中引入硫原子后會(huì)在碳原子附近誘導(dǎo)出豐富的活性位點(diǎn).另外，金屬元素也可以通過物理和化學(xué)兩方面作用改性多孔炭，其中物理作用改性原理是由于金屬或其化合物與原料混合時(shí)會(huì)占有一定的空間，因此在對活性炭進(jìn)行酸洗后處理時(shí)，金屬會(huì)被洗去，從而形成孔隙；化學(xué)作用改性原理則是因?yàn)樵谠现刑砑咏饘倩蚱浠衔锖?，?huì)起到增加表面活性點(diǎn)的作用，從而改善其炭化特性、表面活性、反應(yīng)速率和反應(yīng)歷程.需要提及的是，鐵元素?fù)诫s可以催化多孔炭的活化過程，促進(jìn)大、中孔的發(fā)育，但是對于微孔的形成影響并不大；材料表面負(fù)載零價(jià)鐵后將有助于Cr（Ⅵ）還原為Cr（Ⅲ）進(jìn)而降低其毒性.

利用多孔炭材料處理水體中的重金屬時(shí)，影響重金屬吸附效果的因素主要有pH 值、吸附劑的用量、重金屬的初始濃度以及環(huán)境溫度等.多孔炭對Cr（Ⅵ）的吸附機(jī)理主要包括靜電作用、氧化還原反應(yīng)、離子交換作用和表絡(luò)合作用等，基本符合Langmuir 等溫模型和化學(xué)吸附.由于原料和多孔炭制備方法的差異性，使其吸附動(dòng)力學(xué)模型各不相同.廢水中的重金屬離子種類繁多、存在形態(tài)多樣，且各種離子之間存在一定的相互作用，因此實(shí)際廢水體系中重金屬離子和多孔炭之間的作用機(jī)理更為復(fù)雜.明確多孔炭與重金屬之間的選擇吸附性關(guān)系以及重金屬離子吸附效率與多孔炭結(jié)構(gòu)之間的構(gòu)效關(guān)系，開發(fā)綠色、環(huán)保、低碳、高效的重金屬吸附技術(shù)是未來廢水中重金屬離子去除的重要研究方向之一.