改性分级多孔炭对废水中染料吸附性能的研究

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吸附法由于操作简单,能在温和条件下选择性脱除废水中的染料分子,其在染料废水治理中得到广泛应用。吸附剂是吸附技术的核心。本文以石油沥青为碳源、氧化锌为模板,KOH为活化剂,采用常规加热法制备分级多孔炭,并考察了其对亚甲基蓝、直接黑38染料的吸附性能。为了拓展其应用领域,对其表面进行了负载金属离子改性。为了提高多孔炭对酸性染料的吸附性能,对煤沥青基多孔炭表面进行嫁接聚酰胺胺(PAMAM)树状大分子改性,并研究其对酸性橙74、刚果红染料的吸附性能。通过氮气吸脱附、TEM、FESEM、XRD、XPS对分级多孔炭的物理结构和表面化学性质进行了表征,其主要结果如下:(1)以石油沥青为碳源,氧化锌为模板耦合KOH活化,制备出分级多孔炭(PCs)。结果表明;所制备的分级多孔炭具有相互连接的薄片状结构,且含有丰富的微孔和中孔。当石油沥青、氧化锌和KOH的质量分别为2,19和6 g,活化终温为850℃,制得的PC2-19-850的比表面积高达1913 m2/g。对染料的吸附性能研究表明,由于存在大量的超级微孔,分级多孔炭对分子尺寸较小的亚甲基蓝表现出优异的吸附性能;同时分级多孔炭存在一定量的中孔,其对分子尺寸较大的直接黑38也具有一定的吸附性能。PC2-19-850对亚甲基蓝染料的吸附等温线可以用Langmuir模型描述,最大吸附量可达887 mg/g,对直接黑38染料的吸附等温线可以用Freundlich模型来描述。动力学研究表明,拟二级动力学模型可以较好地描述多孔炭对亚甲基蓝的吸附行为,而拟一级动力学模型则可以描述多孔炭对直接黑38染料的吸附行为。(2)以PC2-19-850为初始炭,对其表面负载金属离子,制备出改性多孔炭Zn(II)/PC和Fe(III)/PC。结果表明;经负载改性后的Zn(II)/PC和Fe(III)/PC依然含有微孔和中孔,但由于金属离子堵塞部分微孔导致其比表面积有不同程度下降。经负载金属离子后,其表面化学性质发生了明显变化,金属离子含量增大,含氧官能团增加。负载金属离子改性多孔炭对其染料吸附性能有重要影响,由于表面含有大量分散的Zn(II),Zn(Ⅱ)/PC表面形成新的吸附活性位,在较低浓度下,其对亚甲基蓝和直接黑38都表现出优异的吸附性能。由于比表面积剧烈下降,Fe(III)/PC对亚甲基蓝的吸附性能较初始炭降低了,但对于分子尺寸较大的直接黑38染料,其吸附性能却有了明显提高。动力学研究表明,拟二级动力学模型都可以描述改性多孔炭对亚甲基蓝和直接黑38染料的吸附行为。(3)以乙二胺、丙烯酸甲酯、甲醇为原料,采用”一锅法”制备2.0代的PAMAM。以MC2-19-850为初始炭,通过其表面的羧基与PAMAM发生氨基酰胺化反应,将PAMAM嫁接到分级多孔炭上制备新型复合炭材料PMC。结果表明;PMC依然含有微孔和中孔,但由于PAMAM的负载,导致复合炭的比表面积较初始炭有不同程度下降。对染料的吸附研究表明,调节溶液pH值,可改变PMC对酸性染料的吸附性能;中性条件下,由于PMC的比表面积比初始炭小,其对酸性橙74和刚果红染料的吸附性能低于初始炭。酸性条件下,PMC表面的PAMAM质子化,能和染料之间形成静电吸引作用,其对染料的吸附能力大幅提高,在很低的平衡浓度下,都能表现出极其优异的吸附性能。当pH值分别为4.4和2.3时,PMC对酸性橙74和刚果红染料的吸附性能达到最佳。PMC表面含N量越高,其对染料的吸附性能越高。所制备的复合炭可用于酸性染料的超深度脱除。
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