活性炭负载硝酸铜的碘吸附值研究

李 素 琼

(武夷学院生态与资源工程学院， 福建 武夷山 354300)

活性炭又称活性炭黑，是黑色粉末状或颗粒状的无定形碳，具有纳米孔结构，是一种多孔性结构的含碳物质，具有比表面积大、吸附能力强、化学性能稳定、易再生等特点[1-2]。近年来，国内外采用活性炭负载过渡金属、活性炭负载贵金属、活性炭负载稀土金属、活性炭负载多种金属来催化氧化工业废水等方面的研究较多。在所有的负载金属离子活性炭的研究中，银离子是研究最多的[3-5]。但银的价格很高，极易发生还原反应，生成金属单质银，而且银离子又容易与水中的阴离子(如氯离子)发生反应，生成难溶的物质[6-7]。相比之下，铜不仅在价格方面具有极大的优势，且铜具有较高的稳定性，对环境的污染也远低于银。

本文以市售活性炭为原料制备载铜活性炭，主要研究活性炭负载硝酸铜的碘吸附值的条件，为改性活性炭负载铜做一些探索。

1 实验部分

1.1 活性炭预处理

称取若干活性炭于500 mL锥形瓶中，加入一定浓度的硝酸溶液，塞紧塞子浸泡24 h，用布氏漏斗抽滤，用蒸馏水反复淋洗数次至洗涤水为中性。再用0.1 molL氢氧化钠溶液浸泡24 h，用布氏漏斗抽滤，用蒸馏水反复淋洗数次至洗涤水为中性。然后在烘箱中于120 ℃温度下干燥5 h，备用。

1.2 载铜活性炭的制备

称取若干预处理后的活性炭进行研磨，放入烧杯中，用硝酸铜溶液浸泡后，用布氏漏斗抽滤，用蒸馏水反复淋洗数次至洗涤水为中性，在烘箱中于120 ℃温度下干燥5 h，冷却后储存备用。

1.3 活性炭样品性能的测试

2 结果与讨论

2.1 单因素研究

2.1.1 负载硝酸铜用量的确定

为确定硝酸铜的用量，本实验采用单因素实验方法考察一定条件下硝酸铜的用量对碘吸附值的影响。通过初步的探索实验，固定活性炭5 g，浸渍时间24 h，浸渍液与活性炭的质量比为20，通过改变硝酸铜的质量分数，制备不同硝酸铜用量时活性炭负载硝酸铜的粗样品。

硝酸铜溶液质量分数与碘吸附值的关系见图1。随着硝酸铜溶液质量分数增大，活性炭的碘吸附值越来越小，当质量分数为20%时，碘吸附值趋于恒定值。在一定负载量的范围内，活性炭随着硝酸铜负载量的增加，微孔不断被硝酸铜填充，降低了碘吸附值；当微孔被硝酸铜填满后，碘吸附值也达到恒定值[8-9]。综上所述，硝酸铜最佳质量分数应选择20%。

图1 Cu(NO3)2质量分数与碘吸附值的关系

2.1.2 浸渍时间的确定

在浸渍的过程中，Cu在活性炭的表面进行扩散和吸附，为达到尽可能大的分散度和吸附值，需充分考虑浸渍时间。固定活性炭5 g，硝酸铜的质量分数为20%，浸渍液与活性炭的质量比为20，浸渍时间对碘吸附值的影响如图2所示。

图2 浸渍时间对碘吸附值的影响

浸渍时间较短时，由于硝酸铜未来得及向孔内扩散，主要分布在孔边缘，碘吸附值此时较大；随着浸渍时间的延长，硝酸铜不断从孔边缘向内孔扩散，且分布比较均匀，从而降低碘吸附值[8-10]。浸渍时间超过60 min后，碘吸附值的变化不大，说明此时硝酸铜已充分扩散至活性炭的微孔，达到最大的分散，故选取最佳浸渍时间为60 min。

2.1.3 浸渍比的确定

浸渍比是影响负载量的重要因素，选取硝酸铜的质量分数为20%，浸渍时间为60 min，浸渍比对碘吸附值的影响如图3所示。

随着浸渍比的增大，浸渍液中的硝酸铜浓度增大，可快速分散并填充于活性炭微孔中，最佳浸渍比为5.0。

图3 浸渍比对碘吸附值的影响

2.2 响应面分析

2.2.1 试验的设计和结果

使用Design-Expert7.0软件设计响应面实验。选用Box-Behnken 中心组合设计模型，作三因素三水平的响应面分析实验，共17个实验点[1]。三因素三水平的实验设计见表1，响应面实验设计方案和结果见表2。

表1 三因素三水平实验设计表

表2 响应面实验设计方案和结果

2.2.2 建立模型及其方差分析

利用Design-Expert7.0软件对表2中的数据进行二次多元回归拟合，得到碘吸附值(Y)的二次多项回归方程：

Y=658.76+5.58A-5.76B+0.15C+11.44AB+11.74AC-0.011 58BC+40.89A2+29.30B2+41.11C2

R2=0.961 5

回归方程中各变量对指标的影响程度，可通过碘吸附值二次响应面模型方差分析表3中的F值来判断，概率P值(Prob>F)越小，则相应的变量对指标的影响越大。

表3 碘吸附值二次响应面模型方差分析

注：若P<0.05，则对应的因素对响应值的影响显著。

由表3可知，碘吸附值回归方程的概率P值为0.000 4(小于0.01)，说明方程的回归效果极其显著。

2.2.3 碘吸附值的响应面分析

以碘吸附值为响应值，各因素的交互作用对响应值的影响如图4所示。图4中的等高线图均呈椭圆形状：图4(a)的长轴边指向硝酸铜溶液质量分数，说明硝酸铜溶液质量分数对碘吸附值的影响大于浸渍时间；图4(b)的长轴边指向硝酸铜溶液质量分数，说明硝酸铜溶液质量分数对碘吸附值的影响大于浸渍比；图4(c)的长轴边指向浸渍时间，说明浸渍时间对碘吸附值的影响大于浸渍比。综上分析可知，各因素对碘吸附值的影响程度大小的顺序如下：硝酸铜溶液质量分数，浸渍时间，浸渍比。

图4 碘吸附值的响应面和等高线图

2.2.4 工艺条件的优化

利用Design-Expert7.0软件，以碘吸附值为响应值，用软件预测3个因素的最优水平，分别为：氯化铜溶液质量分数为19.53 %，浸渍时间为63.64 min，浸渍比为4.90。在上述的组合条件下，碘吸附值的理论值为658.70 mgg。考虑到实际操作的方便，将实验最佳条件修正为：氯化铜溶液质量分数为20%，浸渍时间为64 min，浸渍比为5.0，在最优化的条件下，做3次平行实验，得到此最优条件下的碘吸附值为655.947 mgg。

3 结 论

本研究以市售活性炭为原料，先用硝酸溶液除去杂质，利用浸渍的方法制备出活性炭负载硝酸铜的催化剂。制备活性炭负载硝酸铜的最佳条件为：氯化铜溶液质量分数为20%，浸渍时间为64 min，浸渍比为5.0，最优条件下制备的活性炭碘吸附值为655.95 mgg。

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