摘 要 活性炭比表面积很大，且空隙结构非常丰富，在当前，这是一种应用非常广泛的吸附剂，利用活性炭进行吸附的方法操作起来比较简单，能够进行深度处理，是汞处理技术中较为常见的一种。本文主要探讨了表面掺杂改性竹活性炭对汞离子吸附行为这一问题。首先介绍了实验的具体过程，主要包括了材料的选择以及试剂制备还有等温吸附实验和表征方法等，然后对结果进行了分析。
关键词 竹活性炭；汞离子；吸附行为
中图分类号X7 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2014）124-0122-02
汞是一种毒性非常强的重金属元素，是废水治理过程中的重点。当前，随着我国工业化以及城市化进程的不断加快，氯碱以及塑料还有冶炼和电池等工业排放出的废水中含有大量的汞元素，对我国饮用水源以及大气与土壤都造成了严重污染。活性炭作为一种重要的吸附剂，对于汞离子有着较好的吸附能力。下面我们主要介绍在表面掺杂改性之后的竹活性炭对汞离子的吸附行为。
1 实验
1）材料。来自福建的竹活性炭。利用去离子水对材料表面残留物以及粉尘进行去除，在120℃的环境下进行烘干。在实验中还会用到溴化钾以及碘化钾还有硫磺和氯化汞等试剂，其都是分析纯；
2）制备。首先，把干燥的竹活性炭和硫磺按照2：1的质量比在600℃的高温下进行煅烧，两个小时后取出并冷却之后，获得硫磺改性竹活性炭，我们把它记作S-AC。然后，取10g竹活性炭放在容积为250ml的锥形瓶中，并添加质量分数是5%的溴化钾溶液200ml，在60℃的恒温水浴中保持6个小时后取出来并进行干燥，从而得到溴化钾改性竹活性炭，我们记作KBr-AC。按照这个原理我们制作出KI-AC。之后，我们取得一定量的KBr-AC，利用相同的办法使用硫磺进行改性，最终获得KBr-S-AC，同样我们也制作出 KI-S-AC。取得一定量的S-AC，在相同条件下，利用溴化钾进行改进，获得S-KBr-AC，另外，按照相同方法制作出S-KI-AC；
3）关于等温吸附实验。在反应器中倒入600mL的氯化汞溶液，并将一定量的竹活性炭添加进去，放在多用振荡器上面进行常温振荡，每隔一定的时间取出2mL的样品等待检测。利用电感耦合等离子体发射光谱仪对汞离子浓度的具体变化进行测定，从而对氧化汞具体的脱除效率以及吸附容量进行计算，从而对其吸附性能进行评价；
4）性能和表征方法。利用比表面积和孔隙度的全自动分析仪，在液氮温度为77K的情况下对其氮气吸附脱附等温线进行测定，利用BET法对其比表面积进行计算，在0.976的相对压力下得到总孔容，利用H-K方程将微孔孔容以及微孔分布计算出来，利用BJH方程将中孔孔容以及中孔分布计算出来。在傅里叶变换红外光谱仪上利用溴化钾压片法对其表面化学官能团具体的种类与性质进行研究。
2 分析
1）关于单掺杂改性竹活性炭。如果竹活性炭具体添加量是1克，初始汞离子浓度是每升5毫克，吸附温度是25摄氏度，在这样的情况下，竹活性炭除汞效率是78.6%，改性之后，其除汞效率提高，KI-AC效率为94.3%，KBr-AC效率为93.8%。在前三十分钟时间内S-AC的除汞效率是提升最快的，在前面的两个小时内一直保持着最高，但是到了两小时后已经基本上到了吸附饱和状态，除汞效率是88.8%，对于KI-AC来说，在前面的50min之内，其除汞效率是上升最为缓慢的，在50min到180min这一段时间之内，效率增加最快，之后就基本达到饱和，在这三种样品中，它的除汞效率是最高的。对于改性前的活性炭来说，其表面对汞离子的吸附主要是物理吸附，对于单掺杂改性之后的活性炭来说，其表面吸附主要是物理与化学的系统作用，也就是说汞离子或许会在表面被吸附，也或许会和表面的硫以及溴或者是碘结合；
2）关于双掺杂改性竹活性炭。条件同上，两种试剂除汞效率在前面的60min之内快速增加，在一小时到三小时之内增加的速度降低，3小时以后基本上达到了吸附饱和状态。和KBr-AC以及S-AC比起来，经过了溴化钾和硫磺双掺杂改性的各种竹活性炭，其除汞效率更高。KBr-S-AC效率达到了96%，S-KBr-AC达到了96.6%。这就说明在对KBr-AC做载硫煅烧处理的时候有可能会发生溴化钾流失现象，对S-AC做溴化钾浸渍改性处理的时候不会对表面硫造成破坏。而对于KI-AC而言，经过碘化钾以及硫双掺杂改性之后的竹活性炭，其除汞效率出现小幅下滑，KI-S-AC效率是92.5%，S-KI-AC则为91.6%。主要的原理是碘化钾熔点更加低，在680摄氏度左右。所以，600摄氏度的高温处理使竹活性炭表面上的碘化钾附着量减少，但是比改性前的活性炭以及S-AC都要高。
改性之前的竹活性炭，其汞吸附容量是2.21mg/g，经过改性之后的竹活性炭，其汞吸附容量有了提升，但是提升的程度是各不相同的，汞吸附容量最高的是S-KBr-AC，最低的是S-AC；
3）孔隙结构和吸附能力的关系。从试验中得出了氮气吸附脱附等温线可以了解到都属于I型。这种活性炭的孔隙结构属于微孔分布，如果相对压力在0.1以下，那么其吸附量就会快速提升，如果相对压力在0.1以上，那么其吸附量就会逐渐放缓提升速度，从而基本达到饱和状态，因为在这一阶段中主要是气体中的单分子进行吸附从而导致单分子吸附层的产生，说明活性炭的微孔结构非常丰富。单分子在饱和之后就会多层吸附，由于相对压力的不断增加，其吸附量提升的趋势也就会逐渐平缓。另外，在脱附曲线和吸附曲线之间构成了滞后环，这就表明在活性炭之中存在数量较少的中孔。
活性炭的BET比表面积是每克1125m2，总孔容积为每克0.561cm3，在改性之后，样品中的比表面积以及总孔容积还有微孔容积与中孔容积都下降了，但除汞效率以及汞吸附容量却都增加了。这表明活性炭在对汞离子进行吸附时主要是物理吸附，改性活性炭主要是化学吸附，因为活性炭被改性处理，使得其表面化学性质被改变，孔隙表面以及内部化学吸附位不断增加，最终使除汞效率与汞吸附容量得以提升。改性之后和改性之前的活性炭，其平均孔径没有太大的差别，这就表明比表面积以及孔容减小最为重要的是表面结构改变，引入具有较大体积的表面官能团。对于改性活性炭来说，其微孔率和汞吸附容量之间有相关性，这表明改性试剂分子的具体大小最容易被微孔吸附，能够形成的化学吸附位比较多，增加了吸附容量；
4）表面官能团和吸附能力之间的关系。对于KBr-S-AC 以及S-KBr-AC还有KI-AC和改性前的活性炭来说，其特征峰基本上保持了一致。在3500cm-1的位置属于O—H伸缩振动的特征峰，在1600cm-1的位置上，是表面内酯基或者是羧基之中的C﹦O伸缩振动的特征峰，在1000到1300cm-1的位置属于酚羟基吸收峰，在1100cm-1的位置属于C—O伸缩振动峰，因此，我们可以了解到对于活性炭来说，其表面官能团中主要含有羰基、羟基以及内酯基和羧基。因为在改性活性炭中引进了溴以及碘元素，因此在500到700cm-1的位置上产生了吸收峰。
综合上面的分析，我们了解到，在经过掺杂改性之后的竹活性炭，其比表面积变小，但是其除汞效率与汞吸附容量都得以提升，竹活性炭在对汞离子发生物理吸附的时候，同时也进行了化学吸附。和改性之前的竹活性炭比起来，在经过溴化钾以及碘化钾和硫进行掺杂改性以后的竹活性炭，其除汞效率与汞吸附容量都得以提升，对于溴化钾以及碘化钾这两种性质相似的试剂来说，经过其改性后，除汞效率的大小主要取决于先行负载的改性试剂是什么。汞吸附性能最强的是S-KBr-AC，其除汞效率达到了96.6%，其吸附容量是2.898mg/g，大约达到了改性之前的活性炭的1.31倍。
3 结论
综上所述，对竹活性炭进行掺杂改性，能够使其对汞离子的吸附作用得到提升，是可以对汞离子进行高效吸附的活性炭材料，能够使废水之中的重金属离子，比如，铬以及铅还有镉和砷等得以脱除。吸附饱和之后的竹活性炭能够再生并对重金属进行回收，从而降低了成本也防止了二次污染现象的发生。
参考文献
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