秸秆基活性炭的制备及对重金属吸附效果的研究

张俊年

摘要：本实验选取玉米秸秆为原料，以氢氧化钠（NaOH）和磷酸（HPO）为活化剂在不同条件下制备活性炭，研究利用不同活化剂，在不同条件下所制活性炭的品质差异，以及对Pb、Cu、Cd吸附效果。实验结果表明，活化剂有利于活性炭的制作，复合活化剂优于单一活化剂，所制活性炭接近或达到木质净水用活性炭二级标准，活性炭对Cd、Cu、Pb吸附量基本为Cd>Cu>Pb。重金属在混合溶液中发生竞争吸附，Cd的竞争吸附能力较强。

关键词：玉米秸秆  活化剂  活性炭  重金属  吸附

1 引言

随着工业的持续发展，工业污染也日益严重，特别是重金属污染。重金属进入环境或生态系统以后，不能被降解，通过食物链就会存留、累积或迁移，产生食物链浓缩，破坏生物体的正常生理活动，进而危害人类健康，破坏生态平衡。

为此，本研究以玉米秸秆为原料，以氢氧化钠（NaOH）、磷酸（H3PO4）为活化剂，在多种活化方式和不同温度下制备活性炭，比较使用不同活化剂，在不同活化方式下所制的活性炭品质的差异，以及对溶液中Cd、Cu、Pb吸附能力强弱，探究以玉米秸秆制备活性炭的最佳条件，同时希望本研究为吸附法治理水体中重金属污染提供数据参考。

2 材料与方法

2.3  实验方法

2.3.1  材料预处理

（1）取适量玉米秸秆，用自来水清洗干净，在100℃温度下烘干，然后用植物粉碎机粉碎待用;

（2）按表1活化方式处理秸秆，秸秆在溶液中浸泡24小时，浸泡后用纱布过滤，然后在100℃-110℃温度下烘干备用;

2.3.2  玉米秸秆基活性炭的制备

（1）称量10g预处理后的玉米秸秆于坩埚中，分别在500℃、600℃温度下于马弗炉中炭化1小时[1];

（2）待马弗炉冷却至室温，取出炭化后的秸秆，先用稀硫酸洗，再用纯水漂洗至中性，然后在100℃-110℃温度下烘干备用;

（3）称量所制活性炭的质量，计算活性炭得率;

（4）将烘干的活性炭研磨，过筛得到活性炭成品分装于广口瓶中待用，活性炭分别记为CK，P，P2Na1，P1Na1，P1Na2，Na。

2.3.3 活性炭品质的检验

按照国标法测定所制活性炭的灰分，按照国标《碘吸附值的测定》测定所制活性炭的碘吸附值，再根据国家标准判定活性炭的品质。

2.3.4 活性炭对Cd、Cu、Pb的吸附实验

取所制的10种玉米秸秆基活性炭各0.1g于10个聚乙烯离心管中，然后加入20mL配制的Pb溶液，保持恒温25℃，以250r/ min的振速振荡1h，用0.45m 微孔滤器过滤，用原子吸收分光光度计测定滤液中重金属浓度。Cu和Cd的吸附实验操作与Pb的吸附实验操作相同。计算活性炭对Cd、Cu、Pb的吸附值和去除率。同时做平行试验。

2.3.5  Cd、Cu、Pb的竞争吸附实验

取活性炭0.1g于聚乙烯离心管中，加入20mL所配制含Pb、Cu、Cd的混合溶液，保持恒温25℃，以250r/ min的振速振荡1h，用0.45μm 微孔滤器过滤，用原子吸收分光光度计测定滤液中重金属质量浓度。计算活性炭对混合溶液中Pb、Cd、Cu的吸附值和去除率。同时做平行试验。

3  结果与分析

3.1  玉米秸秆基活性炭基本性质

根据国家测定标准对所制玉米秸秆基活性炭的基本性质进行检测，用以初步判定所制活性炭的品质，其检测结果如下表2，

由表2可见，不同条件下制备的玉米秸秆基活性炭的得率、碘吸附值、苯酚吸附值各不相同，根据灰分、pH、碘吸附值三项基本标准可见，本实验所制的活性炭接近或達到木质净水用活性炭二级品标准。而活化方式不同也影响着活性炭的品质，总的看来，600℃温度下所制的P2Na1活性炭品质较好。

3.2  不同活化方式所制活性炭对Pb、Cu、Cd的吸附

本实验选取常见而又危害较大Pb、Cu、Cd三种重金属为吸附研究对象，分析活性炭对其吸附情况，以探究秸秆基活性炭对重金属的吸附效果，从而得到制备玉米秸秆基活性炭的最佳工艺条件。不同活化方式所得活性炭对Pb、Cu、Cd的吸附分析如下图2，图3.

注：500CK表示500℃温度下所制的活性炭CK，600P表示600℃温度下所制活性炭P，其它表示相同。

由图2，图3可知，所制活性炭对Pb、Cu、Cd的吸附能力表现为Cd>Cu>Pb;600℃下所得活性炭比500℃条件下的品质高，温度越高，活化反应进行得越充分，玉米秸秆不断分解，碳结构不断受到侵蚀，产生大量的空隙结构，但是随着温度的继续升高，因碳结构的过度侵蚀造成已经产生的孔道之间发生坍塌，相互贯通，形成通道，从而造成活性炭比表面积减小，其吸附性能减弱。另外，活化剂不同，所制得的活性炭品质也有所差异，差异表现为：复合活化剂>单一活化剂>空白，其中复合活化剂时，活化剂浸渍比不同也影响所制活性炭的品质，P2Na1品质高于其它条件所制活性炭。当用高浓度单一磷酸作活化剂时，吸附性能下降。因为高浓度的磷酸在高温下活化玉米秸秆时，磷酸对炭体的侵蚀作用强烈，使得秸秆中大量的氢和氧以水蒸气的形式流失，降低了活性炭的得炭率，影响了活性炭的品质。进入材料内部的磷酸一方面作为催化剂使原料中大分子键断裂;另一方面通过自身的缩聚和环化参与键的交联，在加速碳键断裂的同时抑制焦油的产生，导致产生了大量的空隙结构。故偏酸的复合活化剂更有利于活性炭制作。

3.3  Pb、Cu、Cd的竞争吸附作用

选择600℃温度下所制活性炭P2Na1研究活性炭对Pb、Cu、Cd的竞争吸附作用，采用该活性炭分别对单一溶液和混合溶液中的Pb、Cu、Cd进行吸附实验，实验结果如下表4

根据表4可见，活性炭对混合溶液中重金属的吸附值明显低于对单一溶液中同种重金属的吸附值。在单一溶液中Cd的吸附值最高，Cu的吸附值大于Pb;而在混合溶液中，三种重金属发生竞争吸附，相互影响，Cd的吸附值和去除率仍最高，而Pb的吸附值和去除率则高于Cu被优先吸附。总体看来，在混合溶液中，活性炭对重金属的吸附能力表现为：Cd> Pb> Cu。

4  结论

不同活化方式所制的玉米秸秆基活性炭品质也不同。使用活化剂所制的活性炭得率高于未使用活化剂的得率，使用复合活化剂的得炭率稍高于单一活化剂的得炭率。本实验所制活性炭的碘吸附值、灰分、pH，得炭率可达到或接近木质净水用活性炭二级品标准，且对Pb、Cu、Cd的吸附值高于一般市售的木质活性炭。

浸渍方式和炭化温度都影响着活性炭的品质，根据实验分析得出，制作玉米秸秆基活性炭的最佳条件为：P2Na1处理方式+600℃。

所制玉米秸秆基活性炭对Pb、Cu、Cd的吸附能力表现为：Cd>Cu>Pb。在混合溶液中，Pb的竞争吸附能力较强，而稍优于Cu被吸附，吸附能力表现为Cd>Pb>Cu。

参考文献

[1]KALDERIS D，KOU TOULAKIS D，PARASKEVA P，etal.Adsorption of polluting substances on activated carbons prepared from rice husk and sugarcane bagasse[J].Chemical Engineering Journal，2008，144（1）：42- 50.

[2]陈糅，方智力，刘中华.磷酸活化褐煤制备[J]生炭动力学[J].煤炭转化，2005，28（1）：61—65.

[3]徐濤，刘晓勤.磷酸活化法制备花生壳活性炭工艺[J].化学工程，2009.37（11）：70—74.

[4]孙康，蒋剑春，卢辛成.果皮活性炭的制备及其在甘油脱色脱臭中的应用[J].林产化学与工业，2009（29）：77-81.

[5]SOLUM M S，PUGMIRE R J，JAGTOYEN M，et a1.Evolution of carbon structure in chemically activated wood[J].Carbon，1995，33（9）：1247—1254.