沥青基多孔炭的制备及其对染料吸附性能的研究

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吸附法在处理印染废水中占有重要地位,吸附剂则是吸附技术的核心。多孔炭因其具有高的比表面积、发达的孔隙结构、丰富的表面官能团等优点而引起人们的探究兴趣,而多孔炭的孔径结构的设计与调控是提高其吸附性能的关键所在。本文针对分子尺寸较大的染料,选择煤沥青为碳源、分别采用合成的镁铝水滑石和MgO为模板耦合KOH活化,通过控制模板与碳源的质量比及活化温度分别制备了中孔炭和分级多孔炭,并对分级多孔炭进行负载金属离子改性。借助场发射扫描电镜(FESEM),透射电镜(TEM)、氮吸附等手段对多孔炭材料的物理结构和表面形态进行了表征,并考察了其对染料的吸附性能,其主要结果如下:(1)以煤沥青为碳源,合成的镁铝水滑石为模板耦合氢氧化钾活化,采用常规加热的活化方式,制得具有片层状结构的中孔炭。当模板与碳源的质量比为4时,制得中孔炭MPC4,其比表面积、平均孔径和比孔容分别为936 m2/g、7.37 nm和1.73 cm3/g。作为吸附剂,所制备的MPC4对酸性橙74、茜素绿和碱蓝6B均有较好的吸附性能,吸附等温线研究表明,Langmuir模型能更好的描述MPC4对茜素绿的吸附过程,而对酸性橙74和碱蓝6B的吸附过程,则适用于Freundich模型。动力学研究表明,MPC4对酸性橙74和碱蓝6B的吸附过程符合拟二级动力学方程,对茜素绿的吸附过程符合拟一级动力学方程。由于所制的MPC4平均孔径较大,难以和染料形成较强的色散力,其对染料的吸附性能低于比表面积为1400 m2/g的商品炭。(2)以煤沥青为碳源,纳米MgO为模板耦合KOH活化,改变模板和碳源的质量比和活化终温制备具有中空球形结构的分级多孔炭。当煤沥青和纳米MgO质量分别为2和19 g,活化终温为900℃,所制得的HPC2-19-900的比表面积、比孔容和平均孔径分别为2292 m2/g、2.05 cm3/g和3.57 nm。由于比表面积的提高,HPC2-19-900对酸性橙74、茜素绿和碱蓝染料都表现出优异的吸附性能。当三种染料的平衡浓度为170mg/L左右时,HPC2-19-900对酸性橙74、茜素绿和碱蓝的平衡吸附量分别为3097、1373和4169 mg/g。对吸附等温线进行拟合发现,Freundich模型能更好的描述HPC2-19-900对三种染料的吸附等温线;动力学研究表明,HPC2-19-900对三种染料的吸附动力学过程符合拟二级动力学方程。由于分级多孔炭中含有大量的大微孔和小中孔,这些孔能和染料之间形成强的色散力,HPC2-19-900对三种染料的吸附性能均高于商品炭,表明制备的分级多孔炭是性能优异的染料吸附剂。(3)对HPC2-19-900进行负载金属离子改性,考察不同金属离子负载对其染料吸附性能的影响。尽管金属离子的负载导致多孔炭比表面积下降,但其表面也引入了对染料具有较强作用力的新的吸附活性位。由于表面含有大量高度分散的Zn(Ⅱ),在较低浓度下,Zn(Ⅱ)/HPC对酸性橙74、茜素绿和碱蓝6B都表现出优异的吸附性能,表明Zn(Ⅱ)/HPC能深度脱除废水中的染料分子。同样由于产生新的吸附活性位,Cu(Ⅱ)/HPC对酸性橙74的吸附量较初始多孔炭也有明显的提高;对于分子尺寸较大的茜素绿,与初始炭相比,Fe(Ⅲ)/HPC对其吸附性能也有一定程度的提高。对吸附等温线进行拟合,发现Langmuir模型能更好的描述Zn(Ⅱ)/HPC对三种染料的吸附过程,而Freundich模型更适用于分别描述Cu(Ⅱ)/HPC对酸性橙74和Fe(Ⅲ)/HPC对茜素绿的吸附过程。吸附动力学研究表明,Zn(Ⅱ)/HPC对三种染料,Cu(Ⅱ)/HPC对酸性橙74的吸附动力学过程均符合拟二级动力学方程,而Fe(Ⅲ)/HPC对茜素绿的动力学过程符合拟一级动力学方程。
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