活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　紙漿，紡織，印刷，塑料和化學工業非法排放造成的水污染對環境危害很大，在這些工業廢水中廣泛存在各種染料和顏料。孔雀石綠是一種常用的陽離子染料，用于現代印染，以及針對性的水產養殖。但是它難以在環境中自然降解，而且對環境有害所以需要去除。但是普通的吸附材料去除效果不太好，我們開發了一種易于合成的可回收磁性活性炭復合材料，該復合材料使用活性炭負載鐵基金屬制成，可用于從水溶液中吸附和去除孔雀石綠。下面我們來測活性炭的性能。

　　鐵基原料和制成的活性炭表征

　　合成的鐵基原料和活性炭通過SEM，氮吸附-脫附。通過SEM表征鐵基材料(圖1A)和退火磁性活性炭(圖1B)的形態。活性炭的尺寸大于鐵基原料納米晶體，表明鐵納米晶體的結構在熱解過程中被破壞并重結晶。同時，高分辨率透射電子顯微鏡圖像進一步證實了活性炭顆粒的形成，并顯示了活性炭顆粒的微觀結構。在圖1C中，活性炭顆粒呈現出具有鐵納米顆粒嵌入在光場對比的不同碳層中，表明碳層是通過破壞先前框架的有機鏈接而產生的。同時，鐵簇在熱解過程中被氧化，這有助于活性炭的磁性。從圖1D可以推斷，鐵納米顆粒在結構上是均勻的，具有晶格條紋。

　　圖1：鐵材料(A)和活性炭(B)的SEM圖像，活性炭的高分辨率透射電子顯微鏡圖像(C和D)。

　　活性炭對孔雀石綠的吸附實驗

　　將制備的活性炭用作吸附孔雀石綠的吸附劑。批量實驗在10mL小瓶中操作。在超聲波處理下將活性炭(10.0±0.2mg)分散在孔雀石綠溶液(各5mL，濃度為25-300mg L-1)中10秒，然后在培養箱振蕩器中進行。用化學試劑將孔雀石綠溶液pH預先調節至3-9。吸附在黑暗中進行，并且使用永磁體以不規則的時間間隔方便地分離上清液用于動力學研究。為了研究在不同溫度(25-50℃)下的熱力學平衡，通過保持孔雀石綠的吸附靜態方法60小時。不添加活性炭的對照實驗在相同條件下進行。所有批次實驗一式三份進行。所有的樣品立即使用永磁體分離，并且孔雀石綠在上清液的吸光度通過UV分光光度計。為了探索活性炭的再生，進行了解吸實驗。吸附孔雀石綠滿載的活性炭(10.0mg)用不同的有機溶劑如丙酮，乙醇和乙腈在超聲條件下洗脫60分鐘，并且使用5mL溶劑兩次用于再生吸附劑。

　　離子強度的影響

　　染料廢水含有各種鹽類和金屬離子，影響活性炭的吸附效率。在圖2中可以觀察到孔雀石綠對活性炭的吸附能力受鹽濃度的顯著影響。當NaCl濃度為0.02mol L-1時，吸附容量意外降低。然而，在將鹽濃度增加到0.10mol L-1的同時，這種負面影響將變得可以忽略不計。如上所述，靜電相互作用可能在吸附過程中起關鍵作用。

　　圖2：離子強度的影響。

　　再生和重復使用活性炭

　　活性炭的回收和再利用是在實際應用中需要考慮的關鍵因素。因此，我們調查了活性炭的恢復和可重用性。通過外部磁體很容易將活性炭與水溶液分離(圖3A和B)。通過使用乙腈，乙醇和丙酮作為洗脫液輔助超聲來再生裝載孔雀石綠的活性炭。乙腈的解吸效率優于乙醇和丙酮，解吸效率分別為90.2%，35.7%和71.3%(見圖3C)。活性炭在解吸和再生后是穩定的。此外，六個循環后沒有明顯的吸附效率損失(圖3D)。對活性炭的快速吸附，大吸附容量和良好的可重復使用性促使我們研究其實際應用。將活性炭分散在含有加標孔雀石綠(25mg L-1)的廢水中。在用外部磁體快速吸附和分離活性炭后獲得澄清的上清液(圖3A和B)。結果表明，活性炭是一種經濟有效的高性能吸附劑，用于孔雀石綠吸附和去除廢水。

　　圖3：未加標(A)和加標(B)孔雀石綠廢水中活性炭吸附性能的照片，解吸溶液(C)的影響和活性炭的可重復使用性(D)。

　　通過 鐵基材料的熱解合成的活性炭，并用作有效且可回收的吸附劑以從水中除去孔雀石綠。吸附動力學符合偽二級模型。吸附是自發的，吸熱和有利的。吸附進行得很快并且表現出大的吸附容量和優異的可重復使用性，這使得它有利于從水溶液中實際除去孔雀石綠。

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