活性炭改性表面以增強(qiáng)鎳吸附性能
鎳通常用于精煉，電鍍和焊接工業(yè)，并且在這種用鎳工業(yè)中溶液引起泄漏或者處理不當(dāng)造成環(huán)境污染。由于經(jīng)常接觸鎳和鎳化合物，會(huì)對(duì)生物造成各種問(wèn)題，因?yàn)殒嚲咧峦蛔冃?。雖然鎳有很多危害，但其化合物的生產(chǎn)至關(guān)重要，所以需要研究減少鎳從廢物流中輸入環(huán)境的方法。這次研究我們采用簡(jiǎn)單碳化法從椰殼中制備的活性炭被不同的氧化劑氧化，即過(guò)氧化氫，過(guò)硫酸銨和硝酸等。通過(guò)Boehm和電位滴定和IR光譜表征未氧化和氧化后活性炭的表面。測(cè)試制備的活性炭通過(guò)間歇模式吸附實(shí)驗(yàn)從水溶液中除去鎳離子的能力。氧化增加了活性炭上的表面酸性基團(tuán)，從而使活性炭對(duì)鎳的親和力增加。
雖然有很多種物理化學(xué)處理并成功地用于從污染的廢水中去除鎳等重金屬。但是活性炭吸附一直是從水中去除重金屬離子的有前途的技術(shù)。盡管活性炭的去除效率主要取決于活性炭的孔結(jié)構(gòu)和總表面積，但表面的化學(xué)性質(zhì)(表面官能團(tuán)的性質(zhì)和密度)在去除離子或極性物質(zhì)中是至關(guān)重要的。
活性炭吸附劑的制成
選擇椰殼為活性炭的原料，通過(guò)在馬弗爐中在400℃的溫度下將椰殼碳化1小時(shí)來(lái)制備碳化料。將其研磨，篩分得到尺寸為150-250μm的顆粒。用雙蒸水洗滌，最后在120℃的空氣烘箱中干燥過(guò)夜，以備進(jìn)一步使用。經(jīng)過(guò)濃硝酸，過(guò)氧化氫和過(guò)硫酸銨氧化制成活性炭。在反應(yīng)時(shí)間之后，分離活性炭并洗滌幾天來(lái)除去過(guò)量的試劑。
活性炭表面的化學(xué)特征
通過(guò)Boehm滴定法評(píng)估制備的活性炭用于測(cè)定酸性和堿性官能團(tuán)。酸性位點(diǎn)通過(guò)用NaOH滴定和堿性位點(diǎn)用HCl測(cè)定。進(jìn)行電位滴定以發(fā)現(xiàn)表面酸度常數(shù)和零點(diǎn)電荷pH值pHZPC?；钚蕴康年?yáng)離子交換容量由它們從水溶液中交換復(fù)合物的能力決定。
批量吸附實(shí)驗(yàn)
對(duì)于平衡吸附研究，將50mL含有鎳的合成廢水與所需量的活性炭混合，將漿液在機(jī)械振蕩器中振蕩2小時(shí)，并使用濾紙過(guò)濾。然后分析過(guò)濾的樣品的未吸附的鎳濃度。用HCl或稀HNO3稀釋進(jìn)行pH調(diào)節(jié)。使用具有組合玻璃和甘汞電極的pH計(jì)。吸附容量每克吸附劑加載的金屬離子來(lái)計(jì)算。
化學(xué)表征結(jié)果
選擇用于改性活性炭表面的試劑都是氧化劑，目的是增加表面官能團(tuán)的密度。從改性活性炭的化學(xué)表征結(jié)果可以看出，該任務(wù)成功實(shí)現(xiàn)。從圖1中可以看出，從活性炭和幾種氧化的活性炭動(dòng)的酸度以相同的順序增加。酸度增加是由于存在羧基，酚類(lèi)等酸性基團(tuán)。
圖1：氧化對(duì)活性炭表面電荷的影響。
活性炭對(duì)鎳的吸附
用活性炭和改性活性炭進(jìn)行平衡吸附實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估它們使用合成的鎳廢水從水性介質(zhì)中除去二價(jià)鎳的能力。通過(guò)用0.1g活性炭與50mL濃度范圍為10mg/L至250mg/L的Ni(II)溶液平衡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示在圖2中?；钚蕴康拿靠宋饺萘恐蛋匆韵马樞蛟黾樱夯钚蕴?過(guò)氧化氫>硫酸銨>濃硝酸。氧化活性炭的容量增加是由于存在大量酸性基團(tuán)，其可以與水溶液中存在的陽(yáng)離子鎳交換它們的質(zhì)子。
圖2：鎳在活性炭上的吸附等溫線。
通過(guò)pH變化研究進(jìn)一步證實(shí)了表面基團(tuán)在除去鎳中的作用。吸附受pH的強(qiáng)烈影響，如圖3所示。對(duì)于高于該pH的Ni(II)沉淀物，僅在pH值為7時(shí)進(jìn)行研究。在高pH下較高的吸附能力是由于氧化活性炭的表面官能團(tuán)離子化，導(dǎo)致對(duì)帶正電的Ni 2+離子具有更大的保持力。
圖3：pH對(duì)活性炭吸附鎳的影響。
通過(guò)使用過(guò)氧化氫，過(guò)硫酸銨和硝酸改性活性炭顯著提高了鎳的保留性。通過(guò)硝酸改性，活性炭的最大吸附容量增加到30%。鎳在氧化的活性炭上的吸附程度的增加是由于在氧化過(guò)程中產(chǎn)生的表面酸性基團(tuán)。
本文作者：董帝豪
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