活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭改性后高效去除廢水中的鎳

　　鎳(Ni)是一種有害重金屬，存在于塑料電鍍、選礦、皮革鞣制、油漆和電池生產、金屬表面處理以及搪瓷行業等各個行業的廢水中。本期使用硫酸銅-氨絡合物一水合硫酸四氨銅(II)([Cu(NH3)4]SO4·H2O)作為改性劑處理活性炭。研究并比較改性活性炭與活性炭對廢水中的鎳處理的效果。

　　活性炭特性檢測方法

　　活性炭和改性活性炭的孔結構和表面積均通過表面積分析儀進行吸附/解吸評估。使用元素分析儀分析元素組成(C、O、N、H等)。衍射儀評估結晶度。使用傅里葉變換紅外光譜在400cm-1至4000cm-1范圍內采用KBr顆粒法分析活性炭的表面化學官能團。通過射線光電子能譜儀使用MgKα輻射分析活性炭的C、O態和Ni(II)吸附態，光譜歸一化為C1s，284.60ev。使用Boehm滴定法定量酸性和堿性官能團，并通過pH漂移法測定零電荷點(pHPZC)。

　　批量吸附實驗

　　批量實驗探討了初始濃度(20–100mg/L)、接觸時間(0–720分鐘)、pH值(2.5–8)和離子強度(0–500mM)對Ni(II)吸附的影響氯化鈉)。將指定量的活性炭加入到150mL密封錐形燒瓶內的50mL/Ni(II)溶液中，并在控溫搖床中以200rpm和25℃攪拌。48小時平衡吸附后，使用0.45μm濾膜過濾樣品。通過PQ9000電感耦合等離子體發射光譜儀對吸附前后Ni(II)的濃度進行定量。通過將活性炭(0.6g/L)與30mg/LNi(II)溶液混合，然后取樣、過濾、和測量。

　　活性炭的理化性質

　　Ni(II)的吸附效率直接受到吸附劑的結構和化學性質的影響。活性炭和改性活性炭均表現出顯著的孔結構特征(圖1a)。根據N2吸附/解吸等溫線，活性炭的分類屬于IV類，表明其具有介孔結構，孔徑范圍約為2nm至20nm。然而，孔徑為2~5nm的[Cu(NH3)4]-改性活性炭的結構屬于I型等溫線，通常用于描述微孔吸附劑上的吸附。類似地，活性炭表面的空心結構減少，轉變成更小的結構。孔隙結構。與改性活性炭相比，活性炭具有更大的比表面積和總孔體積。改性后活性炭炭的孔體積和孔徑分別降低了3.63%和5.37%。改性后孔徑、比表面積和孔體積的減小可歸因于改性過程中[Cu(NH3)4]SO4與活性炭表面分子的相互作用，導致孔堵塞。

　　圖1：活性炭和改性活性炭的表征：(a)孔徑分布和氮氣吸附-解吸等溫線;(b)通過Boehm滴定進行表面官能團分析;(c)Ni(II)吸附前后的FTIR光譜。

　　進行元素分析以確定改性前后元素組成的變化。對于活性炭，發現元素組成為63.08%C、33.23%O、2.43%H和1.08%N，而對于改性活性炭，相同元素的百分比為52.32%C、43.19%O、2.24%H和2.10%N分別。(改性過程使C含量降低了10.76%，這是由于相對氧和氮含量的增加造成的。改性活性炭的O/C比(0.83)遠高于活性炭的O/C比(0.53)，這表明改性增加了[Cu(NH3)4表面的氧負載量。富氧官能團可改善重金屬吸附并增強活性炭的親水性。用于改性的[Cu(NH3)4]SO4在熱解過程中會產生NH3。改性后相對氮含量由1.08%提高到2.10%。氮官能團還提高了活性炭的親水性和吸附能力。

　　吸附機制

　　根據前面的表征和批量實驗結果，確定了多種吸附機制，包括表面絡合、陽離子交換和靜電相互作用。與含氧和含氮官能團的絡合了解氧和氮官能團對Ni(II)吸附的關鍵影響，我們使用FTIR分析了活性炭和改性活性炭表面官能團吸附前后的變化。活性炭和改性活性炭吸附前后的XPS調查光譜表明C和O的顯著存在。具體而言，對于O1s光譜，-C-OH和-C-OH的比例改性后的-COOH官能團分別從30.97%增加到51.27%和從17.24%增加到21.31%，與滴定結果一致。Ni(II)吸附后改性活性炭中-C=O和-COOH的分數從27.42%減少到19.35%，從21.31%減少到7.16%，分別。這種減少表明這些官能團與Ni(II)形成絡合物，從而增強了吸附能力(圖2)。同時改性活性炭的O1s結合能(BE)略有降低，表明氧原子在吸附過程中作為電子供體的作用。

　　圖2：Ni(II)在活性炭上的吸附機理。

　　活性炭改性后高效去除廢水中的鎳，用了一種新的改性方法來制備活性炭。改性劑為硫酸四氨合銅(II)一水合物([Cu(NH3)4]SO4·H2O)。活性炭通過吸附有效去除水中的Ni(II)。與未改性的活性炭相比，活性炭的改性導致比表面積和總孔體積降低，而改性導致比表面積和總孔體積增加氧和氮的存在，表明含O和含N官能團的結合。改性活性炭相對于活性炭表現出優異的吸附能力。值得注意的是，改性活性炭表現出強大的緩沖能力和對pH變化的適應性。Ni(II)在活性炭上的吸附機制包括表面絡合、陽離子交換和靜電相互作用。本研究概述了一種經濟有效的方法來制備用于吸附廢水中Ni(II)的活性炭，并闡明了潛在的吸附機制。

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