活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　在這研究中，我們使用活性炭吸附水中的甲基紫染料，使用新型材料和一些化學活化方法來制作活性炭，測試活性炭的吸附量和脫色效果。通過微波輻射活性炭進行活化以加速活化時間。活性炭通過FTIR，SEM和BET表征。結果表明，新型材料制造的活性炭具有可吸附甲基紫的官能團。

　　世界上的染料產量估計為每年幾千噸，大約15%的染料廢物已經排放到環境中。最常見的一種染料是甲基紫，通常來自工業油墨，油漆和紡織品。這種染料的存在對水生生物是危險的，因為它被認為是致突變和有絲分裂的毒物，因而致癌。已經開發了各種方法來克服該染料在水中的污染，包括光催化，膜和活性炭吸附。活性炭吸附是一種很有前途的替代方法，相對簡單，便宜，并且可以低濃度應用。已經使用幾種類型的吸附劑來降低水中的染料濃度。來自椰殼的水熱活性炭能夠以99.1%的比例吸附偶氮染料。然而，該方法需要相對高的能量，因此活性炭昂貴且難以在工業中應用。因此，需要簡單且廉價的活性炭合成。其中一個例子是微波輻射輔助加熱系統和KOH作為活化劑來活化活性炭。微波是一種電磁波，當波被人體物體吸收時，會產生熱效應。與傳統的加熱方法相比，微波輻射具有幾個優點，包括快速升溫，均勻的溫度分布，減少處理時間以及能耗。在該研究中，已經研究了使用新型材料作為原料來合成活性炭吸附率超過90%。

　　圖1：SEM顯微照片(a)炭，(b)活性炭。

　　活性炭吸附實驗材料和方法

　　1、吸附物甲基紫(化學級試劑)用作吸附物而無需進一步純化。通過將甲基紫粉末溶解在不同初始濃度(50,100,150,200,250,300,350,400,450和500mg/L)的蒸餾水中來制備樣品溶液。

　　2、制備活性炭，活性炭原材料在105℃的烘箱中干燥以除去水分。然后將干燥的材料壓碎并使用150目篩子篩分。然后，通過在700℃的爐中加熱2小時來實現材料碳化。

　　3、微波誘導的活化過程將制備的活性炭與氫氧化鉀(KOH)混合，浸漬比為1：1(wt/wt%)。然后將得到的活性炭漿料置于安裝在微波室中的玻璃反應器中。微波操作輸入功率為180W，頻率為2.45GHz。加熱時間設定為10分鐘。在活化和冷卻過程中，純氮氣流保持在1cm3 min-1的流速。將得到的活性炭用0.1M HCl洗滌，然后用蒸餾水沖洗直至達到6-7的pH，最后在120℃的烘箱中干燥。干燥的活性炭即可用于吸附測試。

　　4、吸附實驗在含有0.06g活性炭和100mL甲基紫溶液的250mL錐形瓶中進行幾次間歇吸附實驗，并置于120rpm的振蕩器中。研究了pH在3,5,7和9范圍內的影響。使用0.1M HCl和0.1M NaOH調節pH。還進行接觸時間(5,10,15,20,30,60,90,120,150和180分鐘)的影響以研究平衡吸附時間。還研究了具有不同初始濃度(50,100,150,200,250,300,350,400,450和500mg/L)的甲基紫。通過使用UV-Vis分光光度計在581nm處的吸光度測量分析吸附前后甲基紫的濃度。

　　圖2：pH對活性炭吸附甲基紫的影響(條件：初始濃度=100mg L-1，接觸時間=120 min，活性炭劑量=0.6g L-1)。

　　如圖1a所示，活性炭似乎含有大量的碳化雜質產物。雖然活性炭更純，但這可能是由于活化過程中N2的流動(見圖2b)。另外，BET分析表明，活性炭具有較大的比表面積。使用(BJH)的方法分析活化物的孔徑分布。甲基紫的吸附在不同的pH 3,5,7和9下研究pH對活性炭吸附甲基紫的影響如圖2所示。該圖顯示在pH 9時，染料吸附量達到最高速率(99.76%)。活性炭在低pH下傾向質子化，使活性位點成為正含量。這導致活性位點之間的排斥與甲基紫也是正含量的，因此難以發生吸附過程。可以得出結論，活性炭對甲基紫吸附的最佳pH值為pH=9.接觸時間對初始濃度為100mg/L的活性炭吸附甲基紫的影響如下所示：圖3兩條曲線均顯示吸附在前10分鐘內迅速增加，然后逐漸減慢直至達到平衡時間。這種現象可能是由于在初始階段有大量空位表面可用于吸附，因此活性炭吸附的甲基紫的趨勢仍然很高。達到平衡后，吸附的甲基紫的量不隨時間的進一步增加而變化。

　　圖3：接觸時間對活性炭吸附甲基紫的影響(條件：初始濃度=100mg L-1，pH=9，活性炭劑量=0.6g L-1)。

　　圖4顯示吸附的甲基紫的量隨甲基紫初始濃度的增加而增加，并在達到平衡后保持恒定。這可能是因為增加濃度也會增加驅動力，因此吸附質向活性炭的傳質速率也會更快。

　　圖4：初始濃度對活性炭吸附甲基紫影響(條件：pH=9，接觸時間=90分鐘，活性炭劑量=0.6g L-1)。

　　結論表明目前的研究已經證明了新型材料通過微波加熱誘導的KOH活化制備活性炭的適用性。通過微波加熱系統在短的活化時間內產生的活性炭擁有高比表面積，并且活性炭擁有高效吸附甲基紫的能力。

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