椰殼活性炭對水溶液中鈾VI的吸附研究

吳素強 劉永 何鵬

摘 要：以椰殼為原料制得活性炭C-1，采用KOH活化法對C-1改性得到活性炭C-2，通過紅外分析儀、掃描電鏡、粉末衍射儀等儀器對C-1和C-2進行表征。結果表明，C-2含有較多的含氧官能團，會形成新的孔隙；以鈾（VI）溶液為研究目標，C-1對鈾的吸附量為3.01mg/g，C-2對鈾的吸附容量為3.62mg/g，Lagergren準二級動力學方程和Langmuir吸附等溫式能很好的描述C-1和C-2對鈾（VI）的吸附。

關鍵詞：活性炭；鈾；吸附動力學；吸附等溫線

中圖分類號 X53 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2019）07-0126-04

Abstract：Activated carbon C-1 was prepared from coconut shell，and activated carbon C-2 was obtained by modification of C-1 by KOH activation method. The characterization methods adopted by C-1 and C-2 are mainly through infrared analyzer，scanning electron microscope，powder diffractometer and other instruments. The results show that C-2 contains more oxygen-containing functional groups and forms new pores. Taking uranium（VI） solution as the research target，the adsorption capacity of C-1 for uranium is 3.01mg/g，and the adsorption capacity of C-2 for uranium is 3.62mg/g. The Lagergren quasi-second-order kinetic equation and the Langmuir adsorption isotherm can better describe the adsorption of uranium（VI） by C-1 and C-2.

Key words：Activated carbon；Uranium；Adsorption kinetics；Adsorption isotherm

活性炭作為吸附材料之一，不僅具有較大比表面積、較高孔隙率、耐高溫、耐酸堿等特性，而且制作活性炭的原料來源非常廣泛（如稻殼、農作物秸稈、木材等），因此，活性炭從經濟價值和實際操作的可行性這兩方面來看，都可以作為處理低濃度鈾廢水的潛在吸附劑。椰殼作為農業廢棄物的一種，具有結構致密、灰分低、強度大、價廉易得等優點[4]，將椰殼做成活性炭應用于治理低濃度含鈾廢水方面具有廣闊的發展前景。鑒于此，本研究選取椰殼活性炭作為吸附劑，通過紅外分析、電鏡掃描、粉沫衍射等對改性前后的椰殼活性炭進行表征，并通過吸附動力學、吸附等溫平衡實驗，分析其吸附機理，旨在為有效去除水中的鈾（VI）提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 椰殼活性炭的制備 新鮮的椰子取自海南省，將椰子清洗干凈，椰子殼和椰子皮分離，將成熟度相同的椰殼切成1cm×1cm×1cm的大小。在自然條件下風干7～14d，將一定量的風干椰子殼置于馬弗爐中，在400℃下燒焦4h，冷卻至室溫并研磨。將得到的活性炭標記為C-1，然后按質量比1∶5的比例將10g椰殼活性炭（C-1）和KOH加入1000mL燒杯中，劇烈攪拌120min，靜置24h，過濾，然后洗滌至中性。將其置于50℃的真空烘箱中48h，得到改性活性炭，命名為C-2。

1.2 分析儀器 CARY50紫外/可見分光光度計（美國Varian公司）、SHY-2A型水浴恒溫震蕩器（江蘇金壇市醫療儀器廠）、HQ11d型pH計（美國HACH公司）.

1.3 吸附實驗 根據實驗方案，將質量濃度為100mg/L的鈾酰溶液分別稀釋到20、40、60、80、100mg/L，然后分別置于50mL容量瓶中，再往容量瓶中加入0.1g活性炭，調節pH為5.0；稀釋至體積為50mL。用密封膜密封后，分別設置溫度為283、298、323K，置于水浴恒溫振蕩器中以150r/min的轉速，按照預設時間振蕩，最后取水樣過0.45μm濾膜后測定鈾酰濃度。

2 結果與分析

2.1 FT-IR/傅里葉變換紅外光譜 圖1為C-1和C-2的FT-IR/傅里葉變換紅外光譜，可以看出：曲線C-2的吸收峰強于曲線C-1的吸收峰，表明KOH改性的椰殼活性炭表面上的含氧官能團的數量多于未改性的。光譜曲線在1750、1656、1464cm-1處出現吸收峰，該吸收峰是由分子的C=O、C=C的伸縮振動引起的，顯然，曲線C-2具有更強的峰，表明C-2表面含氧基團含量更多。由于含氧官能團是與鈾（VI）絡合的主要官能團，因此，C-2對鈾（VI）的吸附能力更強。

2.2 掃描電鏡（SEM）結果分析 圖2和圖3分別為C-1和C-2的表面形態圖。由圖2和圖3可見，在KOH的氧化作用下，C-2表面更加光滑，孔隙分布相對均勻，并生成了新的孔隙。

2.3 XRD結果 圖4為改性前后椰子殼的XRD分析圖，該光譜中有幾個突出的衍射峰。無機雜質的附著會影響吸附劑的表面活性，從而在一定程度上影響椰殼活性炭的吸附能力。由上圖可知：C-2譜線在第1個位置2θ=26°，在第2個位置2θ=40°，與未改性的活性炭C-1相比，活性炭C-2在這2個位置處的衍射峰未顯示出顯著變化，說明改性后雜質仍然存在。

2.4 吸附實驗

2.4.1 吸附動力學擬合 試驗過程中，采用準一級動力學模型、準二級動力學模型來完成實驗數據處理，相應的方程、模型表達式如下式。

從圖中擬合結果可以看出，Langmuir吸附等溫式對U022+的吸附R2值都在0.99以上，這說明C-1和C-2的吸附屬于單分子層吸附。283K下的n值最大，表明在283K下活性炭對鈾酰離子的吸附強度最大。

3 結論

紅外分析和掃描電鏡證實，改性活性炭表面含有更多的含氧官能團和較豐富的孔隙結構，有利于增強對鈾（VI）的吸附；隨溫度的升高，椰殼活性炭對UO22+的飽和吸附量降低，這表明活性炭對UO22+的吸附是1個放熱反應。Lagergren準二級速率方程能很好地擬合吸附動力學。C-1和C-2對UO22+的吸附等溫線更加符合Langmuir吸附等溫式，說明吸附分子之間沒有作用力，屬于單分子層吸附。

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（責編：王慧晴）