活性炭表面改性及其苯酚吸附性能研究

Ｍａ． ２ ２ ｒ ０１
活性 炭表 面改性及其苯 酚吸附性 能研究
刘 成 宝 ， 一 ，陈 志 刚 １ ，陆秋 月 １ ，马 俊 ， ２ ， ２ ，
（． 苏 省 环境 功 能材 料 重 点 实 验 室 ， １江 江苏 苏 州 ２ ５ ０ ；． 州科 技 学 院 化 学 与 生 物工 程 学 院 ， 苏 苏 州 ２５ ０ ） １０ ９ ２ 苏 江 １０ ９
数 量 减少 ， 附 能 力增 加 。 吸
关 键 词 ：活 性炭 ； 性 ；Ｌ 构 ； 面化 学 性 质 ； 附 等 温 线 改 孑结 表 吸
中 图 分类 号 ： Ｑ１ １ １ Ｔ ３． １
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ： ６ ２ ０ ７ （０ ２ Ｏ 一 ０ ５ ０ １７ — ６ ９２ １ ） １Ｏ ０ — ３
的振 动 吸 收峰 表 明 材料 表 面 有 氢键 缔 合 酚 羟基 或 羧 基 的存 在 ， 而
在 １４ ０ １ ８ ｍ ０ ～ ０ｃ 一之 间 出现 的吸收 峰 ． 明材 料表 面羧 基 主要 以 ５ 表 离子 化 的 Ｒ Ｃ Ｏ （ 酸 盐 ） 式存 在 ； １０ ０ １３ ０（ 之 间 的 — Ｏ 一羧 形 在 ０ ～ ０ ３ ｍ Ｃ ０伸 缩振 动吸 收峰 ，表 明材料 表面有羟 基 和其他 带有 Ｃ Ｏ的基 一 — 图 １ 改性前后样品的兀’ Ｉ Ｒ光谱 团官 能 团的存 在用：２ ＭＡ — 红外 光谱 中 ， （） Ｃ ｌ 所有 上述 波段 范围 的吸收峰 强度 和面积 均 明显增 加 ， 明在 硝 酸 表 的氧化 作用 下 ， 活性 炭表 面含 氧酸性 基 团 （ 基 、 羧 酚羟 基 、 脂基 等 ） 含量 明显 增加 ；３ ＭＡ 一 （ ） Ｃ ２的红外 光谱 中 ，
面 和孔 容分 别增 大 １ ． ０２ ％和 ９１ ， ． 硝酸 改性 之 后， ％ 活性 。
炭 比 表 面 和 孔 容 变 化 更 明 显 ，分 别 增 大 １ ． 和 ９８ ％ １％。但 是其 吸 附等 温线 仍 都属 于 典 型的 Ｉ 吸 附等 ９ 型
温 线 ， 明材料 中 以微孔 为 主 ， 表 改性 后 材料微 ： － 结 构 薰 ｆｆ ＬＬ
活 性 炭吸 附法嘲 。随着 对 活性 炭性 能研 究 的深入 ． 们发 现 活性 炭 的吸 附性 能 ， 仅取 决 于其 发达 的孑 隙结 人 不 Ｌ 构 和 巨大 的 比表 面积『 还 与其 表 面化 学性 质 （ ３ １ ， 表面 官能 团种 类 、 性质 ） 以及 吸附质 分 子 的性 质 （ 子大 小 、 分 极 性 等 ） 着密 切关 系 。因此 ， 有 通过 化学 或物理 方 法对 活性炭 进行 改性 处理［ ６ １ 以提高其 吸 附能力 。 成为 目前研 究 的 热点 。为 了探 讨影 响 活性炭 对苯 酚 吸 附性 能的 主要 因素 ． 章采用 不 同方 法对 市 售活 性炭 进 行表 面 改 文 性 处理 ， 并考 察 了改性前 后 活性炭 孔结 构 、 面化 学性 质 的变化及 其对 苯 酚吸 附能力 的影 响 。 表
重 点实 验 室 基 金 项 目 （Ｚ ２ １ ０ ）苏 州 市科 技 支 撑计 划 项 目（Ｇ ０ １８ ＳＳ００８ ； Ｓ ２１３） ［ 作者 简 介 ］ 成 宝 （９ ９ ）男 ， 东 临 沂人 ， 师 ， 士 ， 事 微 纳米 多 孔 炭 材 料 合 成 及应 用研 究 。 刘 １７ 一 ， 山 讲 博 从
Ｍ ＡＣ一２
—— —
００ ． ４
０ ８０
０５ ． ３
０ ０５
０５ ． ４
０． ０ １
０５ ． ９
０． ０ ２
其 吸附 等温线 可 以看 出 ， 在相 同的平 衡浓 度 时 ， — 其
氮气 吸 附量有 所 变化 ，表 明材 料 比表面 积 和孑 容 有所 Ｌ
—
改变 。从 表 ２也 可 以看 出 ， 温改性 之 后 ， 高 活性炭 比表
２ 结 果 与 讨论
２１ 红 外 光 谱 分 析 ．
图 １是 ３种 处 理样 品 （ Ｃ， Ｃ １ ＭＡ 一 ） Ａ ＭＡ 一 ， Ｃ ２ 的红 外 光谱 （ Ｔ Ｆ—
Ｉ 。可 以看 出 ： １Ａ Ｒ） （ ） Ｃ红 外光 谱 中 ， ０ — ０ ３ 之 间 的 吸收 ３５ ０ ３７ ０（ ｍ 峰表 明材料 表 面有 吸附 水提供 的游离 酚羟 基存 在 ． ０ ３１ ３４ ０（ 附近 １ １
摘 要 ： 用 稀 硝 酸 氧 化 和 氮 气 气 氛 高 温 处 理 两 种 方 法 对 市 售 活 性 炭 进 行 表 面 改 性 ， 用 比 表 面 分析 仪 、 外 吸 收 采 采 红 光 谱 和 Ｂ ｅｍ 滴 定 对 改 性 前 后 活 性 炭进 行 表 征 ， 测 定 活 性 炭 对 苯 酚 的 吸 附 等 温线 ， ｏｈ 并 探讨 影 响活 性 炭 对 苯 酚 吸 附 能
１３ 液相 吸 附等温 线 ．
取 ０１ ０ｇ 性 炭分别 置 于 １ ０ｍ ．０ 活 ０ Ｌ不 同初 始浓 度 的苯 酚溶 液 ，５℃恒 温水 浴 中震荡 ８ｈ后 ，分 别测 定 ２
［ 收稿 日期 ］ ０ ２ 叭 一 ８ ２ １一 ０ ［ 金 项 目】 家 自然科 学 基 金 项 目（ １７ １７ ； 苏 省 油 气 储 运 重 点 实 验 室 基 金 项 目 （ Ｙ ９ １ ； 基 国 ２ ０ １０ ） 江 Ｃ ０ ０ ） 苏州 市 环 境 功 能 材 料
并 未遭 受严重 破坏 。 笔 者认 为 ， 气气 氛 高温 改性 过程 中 ， 氮 活性 炭 中的
微 量挥 发份 的分 解 逸 出 ， 开 了部 分 封闭 的微 孑 ， 得 打 Ｌ使 活 性炭 比表面 和孑 容增 大 ； Ｌ 硝酸 氧化 改性 时 ， 化剂 腐 氧 蚀 不仅 造成 封 闭 的微孑 打开 ，还 使得 材料 表面 粗糙 度 Ｌ 的增加 ， 比表 面和 孑 容进 一 步增大［ １。 Ｌ １１ ０］ －
力 的 因 素 。 果 表 明 ： 面 改 性 不 仅 增 加 了 活性 炭 的 比表 面 积 和孔 容 ， 改 变 了 其表 面化 学 性 质 。 结 表 还 活性 炭 表 面 化 学 性
质对苯酚吸附能力有着更重要影响 ， 随着 活性 炭 表 面 酸性 官 能 团 的 增 加 ， 性 炭 对 苯 酚 吸 附 能 力 下 降 ： 性 官 能 团 活 酸
１ 实 验
１１ 活 性炭 表面 改性 ．
１１１ 预处 理 活 性炭 所用 粒 状 活 性 炭 购 自溧 阳竹 溪 活性 炭 有 限公 司 ， 要 参 数 为 ： 质 为椰 壳 ， 度 为 ．． 主 材 粒
ｌ ～ ４ 表 观密 度 为 Ｏ ５ ０５ ／ｍ ， ０２ ， ． ～ ．５ｇ 酸碱 度 ｐ ４ ｃ Ｈ≥７ 。将 一 定 量 的活性 炭 置 于 １％ Ｈ １ 液 中 ，０℃下震 荡 ０ Ｃ 溶 ３
原活 性炭 表面 特征 吸收峰 明显减 弱或 消失 ， 这是 由于活性 炭表 面的 大部分含 氧基 团高温 分解所 致嗍 。
２２ Ｂ ｅ ｍ 滴 定 ． ｏｈ
为 了定量 描述 活性炭 表面官 能 团变化情 况 ， 用 Ｂ ｅ ｍ滴 定法对 表 面化学性 质进行 分析［ 采用 不 同强 采 ｏｈ ９ １ 。 度 的酸 和碱 与材料 的表 面官能 团进行 反应 ， 根据 消耗量 确定具 体官 能 团的数量， 实验 中 以 Ｎ Ｈ Ｏ 的消耗 量 ａＣ 。 代 表材 料表 面的羧 基量 ； ａ Ｏ 的消耗量 代表 材料表 面羧 基和 内脂基量 之 和 ； ａ Ｈ 的消耗 量代 表材 料表 面 Ｎ２ Ｃ ＮＯ 羧基 、 内脂 基 和酚 羟基之 和 ； Ｈ Ｃ ： Ｎ 则 代表 材料 表 面羧基 、 Ｃ ＨＯ ａ 内脂 基 、 酚羟 基和羰 基 之 和 ； Ｃ 的消 耗量 为 Ｈ １ 吸附剂 表面碱 性 基团 总量 。 １ 由 Ｂ ｅｍ滴 定法 计算 得到 的材料 表面官 能团浓 度测定结 果 。 以看 出 ， 表 是 ｏｈ 可 与 红 外分 析 结果 相对 应 ， Ｃ表面初 始 酸性官 能 团 以酚羟基 为主 ， Ａ 并有 少量 的羧 基 、 内酯基 等官 能 团 ； 酸 改性 硝 之后 ， 由于硝 酸不 但 中和 了一部 分活 性炭 表面 的碱性 官 能 团 ， 而且 在其 氧化作 用下 ， 活性 炭表 面生 成 了一 在 些 新 的 表面 酸性 官 能 团 ， 得 ＭＡ 一 表 面 的羧 酸浓 度 、 使 Ｃ１ 酚羟 基浓 度 和总 酸度都 有 大 幅提 升 ； 经过 高 温处 而 理之后 ， Ｃ ２表 面含 氧官能 团 的热 分解 ， ＭＡ 一 造成 材料表 面含 氧官能 团含量 明显下 降 ， 性官 能 团明显增 加 。 碱
１１ 高温 改性 ．＿ ３
１ ． 材 料表征 ２
取 ２ｇ预处理 活性 炭 ． 气气 氛 中 ８ ０ｏ 高温改 性 ６ ｉ ， 氮 ０ Ｃ ０ｍ ｎ 得到 改性 活性 炭 Ｍ Ｃ ２ Ａ 一。
采 用红 外 吸收光谱 （ 立 叶变换红 外光 谱仪 Ｎ ｃｌｔ ｅ ｕ４ ０ 定性 说 明样 品表 面 官能 团 的种类 ； 傅 ｉｏ ｘ ｓ７ ） ｅＮ 活性 炭
酚类化 合 物作 为一种 典型 的有 毒有 害难 降解 污染物 ， 广泛 存在 于众 多工 业废水 中＿ 目前 工业 上常 常采 Ｉ ｌ 。 用 具 有较 大 比表 面积 和优 良吸 附性 能 的多孑 颗 粒状 吸 附剂 ． 活性炭 和 吸附树 脂 等材 料处 理 这类 废水 。与 Ｌ 如
ຫໍສະໝຸດ Baidu
大孔树 脂相 比 ， 活性炭 的吸附容 量较 大， 对高 、 低浓 度含 酚 废水 都有 较好 的去除 效果 ， 因此 目前 应 用较 多 的是
３ ｎ后 ， ０ｍｉ 用去 离子水 冲洗 至 中性 ， １ １Ｏ℃烘干 １ ， ２ｈ 得到 预处理 活性 炭 Ａ 。 Ｃ １１ 硝 酸改性 ．． ２ 取 ２ｇ预处理 活性 炭置 于质量 浓度 为 ３ ％的稀硝 酸溶 液 中 ，０℃下恒 温震 荡 ４ ｈ后 ， ０ ６ 用去 离子水 冲洗 至 中性 ，１ １ ０℃烘 干 １ ， ２ｈ 得到 硝酸 改性 活性炭 ＭＡ 一 。 Ｃ １
６
苏州科 技学 院学 报 （ 程技术版 工
２ ｌ Ｏ２
其平 衡浓 度 ， 由下式 计算 活性 炭的平 衡吸 附量 Ｑ， ｇｇ 并 ｍ ／。
Ｑ Ｖ（ Ｃ ）Ｗｏ ＝ Ｃ ／ 其 中 ， 为吸 附液体 积 ， ；ｏ ｍＬ Ｃ 为平 衡浓 度 ， ｇｍ Ｃ 为初 始浓度 ， ｇ ； 为吸附 时所用 活性炭 质量 ，。 ｍ ／ Ｌ；ｅ ｍ ／ Ｗｏ ｍＬ ｇ
第 ２ ５卷
２ ２年 ０１ ３月
第 １期
苏州 科 技 学 院 学 报 （ 程技 术 版 ） 工
Ｖ １２ ｏ． ５
Ｎ ． ｏ１
Ｊ ｕ ａ ｆＳ ｚ ｏ ｉｅｓ ｙｏ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｒ ｌ ｕ ｈ ｕ Ｕｎｖ ｒｉ ｆＳ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ （ ｇｎ ｅｉｇ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ） ｎ ｏ ｔ
２３ 孔 结构 表征 ． 表 １ 改性前后活性炭表面化学官能团浓度测定结果 ｍ ｏｇ ｍ ｌ ／
图２ 改 前 活 炭 氮 吸 等 线， — — — 是 性 后 性 的 气 附 温 表— — — — ｝ — — —
２是计算 得 到的材 料 比表面积 和孑 容 孔径 数据 。从 Ｍ Ｃ１ Ｌ Ａ一
表 面官 能 团的浓度 用 Ｂ ｅ ｍ滴定 法进 行测 定［ 用 ７ Ｋ氮 气吸 附法 表征 改性 前后活 性炭 的孔 结 构变化 （ 塔 ｏｈ ７ ／ ： ７ 康
Ｎ Ｖ ｅ ２０ ｅ ， Ｏ Ａ 一 ０ ０ ） 比表 面 积 ５由 Ｂ Ｔ方法 计 算 得 到 ， 孔 容 在 相 对 压力 ０ ８时计 算 得 到 ， ： ： 容 Ｅ 总 ． ９ 微 ｆｆ ＬＬ 用 ｔｐｏ 法计 算 得到 ， —ｌ ｔ 平均 孔径 Ｄ通过 Ｄ ２ ／ ＝ Ｖ Ｓ计算 得 到 。