活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　銫由于其結構與鉀非常相似，因此它可以替代鉀，并且易于摻入土壤和水中，從而破壞了生態系統。因此，需要從放射性廢水中去除銫，以避免所有這些對人類和環境的不利影響。一般經濟適用的方法是使用吸附材料吸附，在這種情況下，已經測試了不同的吸附劑，例如沸石，活性炭和過渡金屬MHCFe等。

　　具有高表面積和發達孔隙率的活性炭被認為對吸附的許多污染物效果很好。此外，活性炭具有低成本和高機械強度以及對熱，化學物質和輻射的良好抵抗性。這些材料是較早被研究為銫吸附劑的材料。菱沸石，沸石和活性炭的混合吸附劑也已用于從低含量的廢液中同時去除銫和碘。許多實驗表明，能除去銫的活性炭的原材料如鋸末椰子殼，杏仁殼或不同的種類活性炭。影響這些材料對銫的吸附行為的主要因素是溶液的pH值和濃度，一些共存離子的存在以及吸附溫度。材料特性也可能影響吸附能力。過渡金屬(MHCFe)是另一類有趣的材料，由于其立方結構的尺寸與銫離子的擴散兼容，因此對于銫的吸附效果很好的。

　　在這些復合材料中，由于活性炭與過渡金屬MHCFe的結合能力特別重要，因此這兩種組分都具有吸附能力。在本研究中，提出了一種簡單的兩步浸漬方法來設計新的納米復合材料，該材料結合了高度多孔的活性炭和不同的過渡金屬(鎳，銦和銅)MHCFe。對于從水溶液中去除銫離子，評估了這些合成的納米復合材料的吸附性能。此外，還研究了活性炭表面化學性質對納米復合材料吸附效率的影響。從材料的孔隙率，表面化學性質和金屬相方面討論了吸附機理。官能化碳載體與過渡金屬的結合被證明是通過不同機理提高銫吸附能力的有效方法。

　　銫吸附測試

　　使用原子吸收光譜儀測量銫的吸附容量。用于銫檢測的原子吸收中使用的波長為852.1 nm。選擇硝酸銫(CsNO 3)作為接觸溶液中的前體，其濃度固定為2 mmol/L(265 mg·L -1)。在室溫下攪拌下進行24小時的接觸時間的測量。已經對銫濃度進行了校準，以允許進一步量化。接觸溶液中使用的納米復合物濃度固定為1 g·L-1。因此，使用了50 mg活性炭或活性炭負載過渡金屬復合材料和50 mL銫儲液來計算活性炭的吸附量。

　　過渡金屬類型的影響

　　首先研究了金屬類型對活性炭負載過渡金屬的形成及其吸附能力的影響。通過TEM和STEM研究獲得了納米復合材料的一般形態和結構特征(圖1)。在活性炭負載過渡金屬材料鎳和銦的經典TEM圖像上未觀察到納米顆粒。由于STEM圖像的對比度取決于原子序數Z，因此金屬相將比碳基質亮。這種行為促進了金屬納米顆粒在碳基質中的定位。STEM模式顯示金屬以非常分散的方式存在于活性炭負載過渡金屬材料鎳和銦中。這可能與碳基質中顆粒的高密度有關。活性炭載復合銅的形態有很大不同，納米顆粒在經典TEM和STEM技術中均清晰可見。它們分散在碳網絡中的分布非常不均勻，其大小在10至30 nm之間變化。

　　圖1：活性炭載復合金屬鎳(A，B)，銅(C，D)和銦(E，F)的(左)經典TEM和(右)相應的STEM圖片。

　　進行EDX映射以獲得有關顆粒的局部化學組成的更多信息。作為示例，圖2呈現了活性炭載鎳材料的EDX映射。如觀察到的圖2中，鎳和鐵，還鉀的存在下，在該材料檢測。這三種金屬的EDX映射的疊加顯示出完美的匹配，表明納米粒子結構中存在所有這些金屬。除小顆粒外，還觀察到一個位于碳末端的大顆粒，并且鎳比其他金屬富集。對于活性炭載銅和銦在顆粒結構中也發現了鉀的存在。

　　圖2：活性炭負載過渡金屬鎳材料的EDX圖譜，顯示了納米粒子中鎳，鐵和鉀的存在。

　　活性炭表面化學的影響

　　活性炭的表面化學在通過浸漬過程的納米復合材料合成中具有重要作用。氧表面官能團的性質和濃度可能影響納米顆粒的形成以及銫的吸附。可以使用熱處理和化學處理來修飾表面官能團。可以進行氣相或液相氧化以增加表面上存在的氧基團的濃度。使用硝酸處理來增加羧基(-COOH)的濃度。考慮到在合成的納米復合材料中銫對銫的吸附性能最高，選擇了活性炭載復合銅納米復合材料來研究表面化學的影響。

　　這些樣品的氮吸附等溫線和孔徑分布如圖3所示。。盡管活性炭和活性炭負載過渡金屬樣品的等溫線是I/IV型，結合了微孔和中孔性，但很難觀察到這些曲線的中孔部分，而活性炭負載過渡金屬樣品的等溫線幾乎消失了，說明了中孔性。該觀察結果與孔徑分布曲線一致，進一步顯示了孔徑和尺寸的減小。另外，我們注意到，在兩種情況下，過渡金屬銅相的引入均導致窄的孔徑分布。這可能表明活性炭孔中存在一些顆粒。多孔性的降低和氧官能團濃度的增加可能會影響銫的吸附性能。

　　圖3：幾種活性炭材料的氮吸附等溫線和孔徑分布。

　　新穎的納米復合材料是由活性炭和使用合成的過渡金屬(鎳，在，銅)在簡單的浸漬過程中獲得。納米復合材料具有相似的孔隙率，但是金屬納米顆粒的大小和分布不同。在這些材料中，納米復合活性炭載銅表現出較好的銫吸附性能。因此，該活性炭的表面化學用硝酸處理，以使之更適合作為這些金屬相載體改性。銫吸附測試表明，對于活性炭材料的吸附。這種行為可能與活性炭的富氧表面化學有關，這是比多孔特性更有利于銫吸附的關鍵參數。此外，與使用未改性的活性炭對應納米復合物相比，改性后的活性炭載過渡金屬獲得的銫吸附能力大大提高。這些性能可能會進一步促進被銫污染的水的處理凈化。

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