重金屬離子廢水染料廢水處理方法

所屬行業(yè)：水處理關(guān)鍵詞：染料廢水重金屬離子廢水廢水

處理

在介紹了二種多孔炭材料制備方法與特點的基礎(chǔ)上，綜述了多孔炭材

料作為吸附劑在重金屬離子廢水、染料廢水和其他廢水處理中

的應用研究發(fā)展。

由相互貫通或者封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的多孔炭材料在具備

炭材料性質(zhì)(如化學穩(wěn)定性高、導電性好、價廉等)優(yōu)點的同時，

還具有比表面積大等特點。因此，多孔炭材料可應用于分離凈化、

催化、光學器件、能量存儲、生物分離薄膜及納米反應器等領(lǐng)域。

由三維網(wǎng)絡

結(jié)構(gòu)形成的大孔結(jié)構(gòu)使多孔炭材料具有優(yōu)異的吸附性能。

目前，隨著多孔炭材料研究的深入，制備多孔炭材料不僅需要控

制其介觀結(jié)構(gòu)、孔徑及孔道羅列，而且對其微米級的宏觀形貌也有要

求。現(xiàn)已成功合成為了球、纖維、棒、單晶和體材料等多種形貌的介

孔

炭材料。

1多孔炭材料類型與原材料

1.1多孔炭材料類型

多孔炭材料按孔直徑大小可分為微孔炭材料(50nm)。其中微孔炭

材料又分為極微孔(0.7nm)和超微孔炭材料(0.7?2nm)。多孔炭材料

還可分為無序多孔炭和有序多孔炭材料。

L2制備多孔炭材料的原材料

制備多孔炭材料的原料主要有生物質(zhì)材料、合成高份子材料、廢

棄高份子材料、焦油與煤炭材料等。但不同原料制備的多孔炭，其結(jié)

構(gòu)有明顯差異。

1.2.1生物質(zhì)材料

可用作炭材料前驅(qū)體的生物質(zhì)材料有：植物的枝、十、葉、果實

與果殼；動物的骨頭和糞便;海洋生物(如海藻)；還有蔗糖、糖蜜、咖

啡豆、甘蔗渣、甜菜渣、木質(zhì)素等。以大葉合歡種子莢為原料，采用

微波法能制備用于吸附對氯苯酚的微孔活性炭，吸附容量為

300.6mg/go

以稻殼灰為原料，制備的活性炭比表面積和平均空隙達到

1713m2/g和4nm。Hayashi課題組采用K2c03活化炭化杏仁殼、椰子

殼、核桃殼和木質(zhì)素等制備了多孔炭材料。也實用K2C03活化木屑，

微波法成功制得微孔炭的報導。

L2.2合成高份子材料

合成高份子可通過選擇單體與聚合技術(shù)控制其元素組成、份子量

及份子鏈的形狀。因此，合成高份子既可作為介孔結(jié)構(gòu)導向劑，也可

作為炭材料前驅(qū)體。C.H.Huang等以甘蔗渣為模板，三嵌段共聚物

(F127)和酚醛樹脂為介孔結(jié)構(gòu)導向劑和前驅(qū)體制備了一種層狀多孔

炭材料，其作為電極材料表現(xiàn)出很好的電化學特性。以酚醛樹脂為前

驅(qū)體，F(xiàn)127為模板，采用溶膠-凝膠法制備的介孔炭納米纖維，可用

于大份子染料的吸附。

1.2.3廢棄高份子材料

含碳廢棄物既夾源于合成高份子材料，也來源于生物質(zhì)材料C大

部份廢棄物都可用作制備多孔炭的原料，如廢舊塑料、廢橡膠及廢舊

皮革，鋸屑、廢紙或者紙漿廢渣，都市垃圾與廢建材，油煙，酒廠廢

棄

物，水產(chǎn)廢棄物，畜產(chǎn)廢棄物等。

1.2.4焦油與煤炭材料

能用作炭材料前驅(qū)體的焦油與煤炭材料有泥煤、煙煤、無煙煤、

煙道炭黑、煤焦油瀝青、石油焦、石墨、油炭、褐煤、石油瀝青、油

母頁巖等。

2多孔炭材料的制備方法

多孔炭材料的制備方法主要有活化法與模板法。活化法制得的是

無序多孔炭材料;模板法制得的是結(jié)構(gòu)有序、孔徑均一的多孔炭材料。

模板法又分為軟模板法、硬模板法和雙模板法等。

2.1微孔炭材料的制備

制備無序微孔炭主要采用炭化活化法。生物質(zhì)原料由于其結(jié)構(gòu)特

點，更有利于形成高比表面積的微孔炭。如以桑枝為炭材料前驅(qū)體，

制備的微孔活性炭比表面積達到1603m2/g。以K2c03為活化劑，聚

苯胺為前驅(qū)體也可制備出大比表面積的微孔炭。

份子篩型微孔炭是一類無序微孔材料，具有優(yōu)異的化學和物理穩(wěn)

定性。制備炭份子篩的原料主要有：高份子化合物（如酚醛樹脂）、煤、

植物（如椰子殼等）。以煤為原料，采用炭化、活化制備的分離CH4/N2

用份子篩，比表面積為251m2/g。

孔壁Gnm的沸石常用作合成孔徑均一微孔炭的無機模板，如用Y

型沸石份子篩為模板可合成微孔炭。Kyotani課題組用Y型沸石份子

篩為模板，成功合成為了孔徑均一的微孔炭材料使用介孔二氧化硅

模板和二氧化碳活化法可制備儲氫性能良好的有序微孔炭，比表面

積達到2022m2/goK.S.Kim等以二氧化硅為模板，聚苯胺為前驅(qū)體

，制備

的微孔氮摻雜的碳納米管，其對水有更強的親和力。所屬行業(yè)：水處

理關(guān)鍵詞：染料廢水重金屬離子廢水廢水處理2.2介孔

炭材料的制備

選擇合適的炭材料前驅(qū)體（如PEG-400）,經(jīng)化學活化或者物理活

化法引入介孔結(jié)構(gòu)，可得到無序介孔炭材料。有序介孔炭材料的制

備主

要有硬模板和軟模板法。

2.2.1硬模板法

硬模板法是先將炭前軀體以液相或者氣相浸入模板劑孔道中，使

其發(fā)生聚合交聯(lián)后炭化，再用HF或者NaOll溶液腐蝕除去模板，得

到有序介孔炭。孔的結(jié)構(gòu)主要由模板的結(jié)構(gòu)決定，其孔徑大小可通

過改變模板的種類或者調(diào)節(jié)前軀體與模板的比率控制。常采用介孔

二氧化硅份子篩（SRA75、MCM-4S）為模板.如以SRAT5為模板,

蔗糖為碳源，制

備的有序介孔炭材料比表面積達到533、771m2/g。

蔗糖、糠醇、酚醛樹脂均可作為制備有序介孔炭材料的前軀體，

糠醇或者酚醛樹脂在硬模板中可形成剛性骨架，更有利于保持介孔炭

的結(jié)構(gòu)。以MCM-48為模板，蔗糖為碳源，制備的介孔炭材料（CMK-

1)具有高的比表面積(1438m2/g)、大的孔容(0.98cm3/g)和窄的孔

徑分

布(311nm),CMK-1對膽紅素的吸附容量高并具有較快的吸附速度。

硬模板法的缺點是制備步驟較多，模板去除后孔徑易產(chǎn)生收縮，

導致介孔炭的有序性大大降低。但以硫酸處理硅/三嵌段聚合物(P123)

后再加蔗糖經(jīng)炭化和除硅處理，制得的介孔炭材料有序性好、比表面

積大和孔容高。

2.2.2軟模板法

軟模板法是以兩親性份子或者三嵌段共聚物(F127、P123)作模板劑

,與炭材料前軀體在有機相或者水相中通過氫鍵等作用進行有機-有

機自組裝得到復合納米膠束，然后固化前軀體形成三維交聯(lián)的剛性

結(jié)構(gòu)，最后炭化可得到有序的介孔炭材料。如以間苯二酚樹脂為碳源

,F127

為軟模板劑，可制得3D蠕蟲狀結(jié)構(gòu)的有序介孔炭。

采用F127、P123及F127/P123復合物為模板劑，酚醛樹脂/六亞

甲基四胺固化物為碳源，可制備具有二維六方結(jié)構(gòu)和蠕蟲狀結(jié)構(gòu)的介

孔炭材料。當用F127作模板劑時，介孔炭材料比表面積達到670位/g。

以間二苯酚和甲醛為碳源，F(xiàn)127為模板劑，F(xiàn)e、Co、Ni的硝酸鹽為

前驅(qū)體，可得到負載型的有序介孔炭復合材料，比表面積分別為586、

626、698m2/g,該材料也便于回收和分離。以Resol型酚醛樹脂為前

驅(qū)體，F(xiàn)127為模板劑，也可制備磁性有序的介孔炭材料。

2.3大孔炭材料及多級孔炭材料的制備

大孔炭材料的合成主要采用模板法。如以硅藻土為模板制得的多

孔炭材料為大孔多孔炭。DongLiu等以硅藻土為模板，制備的大孔炭

材料比表面積比商業(yè)活性炭比表面積小，但其對亞甲基藍的吸附容量

卻高于商業(yè)活性炭。

多級孔可以是二級孔，如大孔-介孔、介孔-微孔和大孔-微孔等，

也可以是大孔、介孔和微孔存在的三級孔結(jié)構(gòu)。多級孔結(jié)構(gòu)更有利于

反應物或者產(chǎn)物的快速擴散。以二氧化硅蛋白石為大孔模板，F(xiàn)127

為介孔模板，制備的二級孔炭材料，大孔、介孔直徑約為230、

10nmo相對于介孔炭和大孔炭材料，二級孔炭材料的比表面積和孔

隙率都有

顯著提高。

3多孔炭材料在廢水處理中的應用

多孔炭材料是一種能有效去除有機和無機污染物的吸附材料。不

同孔徑的多孔炭材料用途不同，微孔炭材料適合于吸附小份子化合物,

而介孔和大孔炭材料用于吸附染料、維生素及高份子化合物等。

3.1重金屬離子廢水的處理

介孔炭材料對金屬離子具有很強的吸附能力。殷俊等發(fā)現(xiàn)采用單

質(zhì)硫改性可在介孔炭材料表面引入對Hg2++具有很強親和力的活性位

點，Hg2++吸附容量達到476mg/g,去除率高達92%以上。以SBAT5

為模板，丙烯酸低聚物為前驅(qū)體合成的有序介孔炭材料(OMC),經(jīng)乙

二胺改性后，OMC對Hg2++的吸附容量可增加一倍。

陳田等將有序介孔炭材料經(jīng)氧化、氯化、胺化處理，得到胺化有

序介孔炭材料，可用于選擇性吸附Cu(II)、Cr(VI),功能化先后對

Cu(II)吸附容量分別為213、495mg/g,對Cr(VI)吸附容量分別為241、

68mg/go鐵摻雜的介孔炭(FeOMC)比表面積為466m2/g,當n(Fe)：n(C)

為5.53，.97時，對碑的吸附量最大。

以ZnC12為模板，果糖為碳源，制備的比表面積為2207m2/g的

酸化介孔炭泡沫，對Pb(H)的吸附容量達到188mg/go以聚(環(huán)氯乙

烷)-b-聚苯乙烯嵌段共聚物為碳源，自組裝制備的高有序介孔炭材料

(OMC-P),與以F127為模板制備的介孔炭和商業(yè)活性炭相比，OMC-P

對Cr(VI)有更高的吸附性能。以蔗糖為碳源，粗孔硅膠為模板，制

備的多孔炭/硅膠復合材料能有效處理含Cr(VI)的廢水。

3.2染料廢水的處理

以SBA-15為模板制備的有序介孔炭材料(CMK-3)能有效吸附廢

水中的甲基橙。將CMK-3通過表面改性，其吸附商業(yè)染料(陰離子染

料橙H、活性艷紅2、酸性黑1)的能力可泥高2倍。

以SBA-15為模板，采用納米刻蝕技術(shù)合成的Fc-Fe304磁性納米

粒子/介孔炭復合體，能有效吸附羅丹明B,脫除率可達到93.7%,吸

附容量329mg/g,吸附后的復合體能通過外磁場與溶液分離。以

SBA-15為模板，液化石油汽為碳源，制備的介孔炭材料，對酸性橙、

亞甲基藍和羅丹明B的吸附容量分別為222、833、233mg/g,而商業(yè)

活性炭對三種染料的吸附容量分別為141、313.185mg/go

以F127為模板，酚醛樹脂為碳源合成的有序介孔炭材料可用于

水中染料的吸附，對低濃度的染料(堿性染料、酸性染料、偶氮染料)

吸附率可達到99%,介孔炭材料再生后可重復使用。以F127為模板

劑，間苯二酚/甲醛為碳源，制備的有序介孔炭材料(孔徑6.44nm,

比表面積661.98m2/g,孔容0.46cm3/g)對羅丹明B也有很好的吸附

性能。

用酸化和堿化的沸石X為模板，糠醇為碳源，合成的介孔炭對亞

甲基藍的吸附容量達到了380mg/goP.Zhang等制備的磁性介孔鉆納

米粒子/碳納米復合材料（孔徑4nm,比表面積232nl2/g）,對甲基橙的

吸附容量達到380mg/g,且復合材料再生后可重復