磁性活性炭的制备及其对邻苯二甲酸二丁酯的吸附_冯竹青.pdf

磁性活性炭的制备及其对邻苯二甲酸二丁酯的吸附冯竹青，曹鑫，陈辉伦*（北京科技大学 能源与环境工程学院，北京 100083）摘要：由于具备磁分离特性，磁性活性炭可以克服活性炭与水难以分离的缺点。本文采用化学共沉淀法制备了三种磁性活性炭并用于邻苯二甲酸二丁酯（DBP）吸附研究。研究发现，磁性活性炭的吸附效果虽然比活性炭稍差，但是依然具有良好的吸附效果。当吸附剂用量为0.4 g/L时，在25 C、150 rpm及不调节pH的条件下吸附3 h后，磁性活性炭的DBP吸附量可达164.1 mg/g。随着pH和温度的降低，磁性活性炭DBP的吸附效果变好，而且其吸附动力学与拟二级模型的拟合效果更好，吸附等温线更符合Freundlich模型。关键词：吸附；磁性活性炭；吸附等温线；吸附动力学；邻苯二甲酸二丁酯中图分类号：X52文献标志码：A文章编号：1007-4260（2023）01-0009-07Preparation of MagneticActivated Carbon and ItsAdsorption ofDibutyl PhthalateFENG Zhuqing,CAO Xin,CHEN Huilun*(School of Energy and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:Due to the magnetic separation property,magnetic activated carbon can overcome the disadvantage that activat-ed carbon is difficult to separate from water.In this study,three kinds of magnetic activated carbon prepared by chemical co-precipitation method are used to adsorb dibutyl phthalate(DBP).It is found that the adsorption effect of magnetic activatedcarbon is slightly worse than that of activated carbon,but still has good adsorption effect.When the amount of adsorbent was0.4 g/L,the adsorption capacity of magnetic activated carbon can reach 164.1 mg/g after 3 hours of adsorption at 25 C,150rpm without pH adjustment.With the decrease of pH and temperature,the adsorption effect of magnetic activated carbon ofDBP became better.The adsorption kinetics is better fitted to the pseudo second order model,and the adsorption isotherm ismore consistent with the Freundlich model.Key words:adsorption;magnetic activated carbon;adsorption isotherm;adsorption kinetics;dibutyl phthalate邻苯二甲酸二丁酯（DBP）是一种常用的增塑剂1，在使用过程中很大一部分会释放并进入环境，在海水、河水、土壤和沉积物中均有检出2。DBP是内分泌干扰物，具有很强的毒性，其容易通过皮肤吸附并进入人体，从而扰乱人体内分泌系统，破坏人体器官功能，甚至导致不孕不育和癌症3。水体环境中的DBP严重威胁了人体健康和生态环境，因此迫切需要开发优异工艺来将其去除4。由于操作简单、效率高和处理效果好等优点，吸附工艺逐渐被应用于有机物处理5。活性炭（PAC）具有优异的吸附性能，但很难与水分离，而且使用传统的过滤、混凝、絮凝、澄清和沉淀等工艺从水中分收稿日期：2022-12-22基金项目：国家重大水专项（2017ZX07206-002-03）作者简介：冯竹青（1995），女，山东潍坊人，北京科技大学能源与环境工程学院博士研究生，主要研究方向为水污染控制。E-mail：通信作者：陈辉伦（1984），男，湖北监利人，北京科技大学能源与环境工程学院教授，主要研究方向为水污染控制。E-mail：2023年2月第29卷第1期安庆师范大学学报（自然科学版）Journal ofAnqing Normal University（Natural Science Edition）Feb.2023Vol.29 No.1DOI：10.13757/34-1328/n.2023.01.002（封面文章）安庆师范大学学报（自然科学版）2023年离PAC成本高和/或效果差6。磁性活性炭（MPAC）既保留了活性炭比表面积高的优点7，又能通过外加磁场来实现快速分离8，大大提高了活性炭与水分离的效率9。MPAC已被用于去除染料10、酚类11、抗生素12、重金属13、除草剂等污染物14，并取得了良好效果，但是目前鲜有将MPAC用于DBP的吸附处理。本文详细地探索了MPAC对DBP的吸附效果，并对其吸附机理进行了初步研究。1实验1.1实验仪器和试剂本文使用的木质活性炭（200目）购自江苏宜青活性炭有限公司。六水三氯化铁（FeCl36H2O）、七水合硫酸亚铁（FeSO47H2O）、浓硫酸（H2SO4）、氢氧化钠（NaOH）、无水乙醇（C2H6O）和DBP等化学试剂均为分析纯，购自国药化学试剂有限公司。紫外可见分光光度计选用的是日本岛津UV1800。1.2磁性活性炭的制备采用化学共沉淀法制备了三种不同铁氧化物比例的磁性活性炭，其制备过程如图1所示。FeSO47H2OFeCI36H2OPACPACMPACNaOH solutionWashingStirringAdjusting pHAgingSeparatingWashing and drying图1磁性活性炭的制备流程磁性活性炭的具体制备步骤：先将PAC用去离子水冲洗，接着在105 C烘箱内干燥12 h。然后，将5.0 g的PAC、11.676 g的FeCl36H2O、6.005 g的FeSO47H2O与去离子水混合以制备400 mL溶液，用磁力搅拌器于70 C下搅拌1 h。调节转速至1 200 rpm，并逐滴滴加5 mol/L的NaOH溶液，使pH升高到1011，继续搅拌1 h，然后用保鲜膜密封过夜。利用强力磁铁将所产生的黑色沉淀分离，并用去离子水反复冲洗黑色沉淀至pH中性，再用无水乙醇冲洗，最后用去离子水冲洗。在105 C烘箱中干燥12 h，就可以得到铁氧化物含量为50%的磁性活性炭复合材料（50%-MPAC）。改变FeCl36H2O和FeSO47H2O用量，制备铁氧化物含量为33%、67%、100%的磁性活性炭复合材料，分别表示为33%-MPAC、67%-MPAC和负载物。所制得的MPAC呈红棕色，并随着铁氧化物含量增加，红棕色会加深，本文所制得的50%-MPAC属性如图2和表1所示。表1活性炭和磁性活性炭的比表面积和孔体积6吸附剂比表面积/(m2g-1)总孔体积/(cm3g-1)平均孔径/nmPAC1138.01.0223.59333%-MPAC823.90.8083.92550%-MPAC614.20.7104.62367%-MPAC439.30.5825.301图250%-MPAC产品1.3吸附实验以无水乙醇和水为溶剂，配制85 mg/L的DBP溶液，然后分别以PAC、33%-MPAC、50%-MPAC和67%-MPAC为吸附剂进行批量吸附实验。取若干个100 mL锥形瓶，各加入50 mL的DBP溶液（85 mg/L），10第1期分别投加20 mg吸附剂，在25 C、150 rpm及不调节pH条件下吸附3 h，然后过滤，采用紫外可见分光光度计于226 nm下测定吸附后溶液的DBP浓度。在研究pH的吸附影响时，用0.01 mol/L的H2SO4和NaOH缓冲液将溶液pH调节至4、6、8、10和12，然后按照上述步骤进行吸附实验。在探究吸附等温线实验中，分别配制浓度为45 mg/L、55 mg/L、65 mg/L、75 mg/L、85 mg/L、95 mg/L和105 mg/L的DBP溶液，然后按照上述步骤进行吸附实验。2结果与讨论2.1材料的表征在之前研究中，我们已经对材料的性能进行了表征6。XRD结果（图3（a）表明，MPAC在2为30.36、35.76、43.47、53.94、57.51、63.17处的特征衍射峰分别与Fe3O4的XRD标准卡（JCPDS-75-0449）的特征峰（220）、（311）、（400）、（422）、（511）、（440）一致，说明了MPAC上负载的磁性物质可能为Fe3O4。随着铁氧化物含量的增加，衍射峰的强度也增强。此外，PAC在2为26.55处的特征衍射峰与蓬松结构的活性炭XRD标准卡（JCPDS-89-8487）的图谱特征峰（002）一致15。同时VSM结果表明，33%-MPAC、50%-MPAC、67%-MPAC 和负载物的饱和磁化强度分别为 11.54 emu/g、20.67 emu/g、29.68 emu/g 和63.04 emu/g（图3（b）。据报道，饱和磁化强度大于16.30 emu/g时足以实现磁力分离16，因此，除33%-MPAC外，MPAC均可满足磁力分离要求。MPAC的饱和磁化强度与负载的铁氧化物量密切相关，其中铁氧化物含量越高，饱和磁化强度越大。如图3（b）所示，本文制备的MPAC具有良好的磁性，其能够通过外加磁场与水相进行有效分离。（a）67%-MPAC50%-MPAC33%-MPAC67%-MPAC50%-MPAC33%-MPACPACPAC2203114004225114400021020304050607080902/degree强度/（a.u.）-10 000-5 00005 00010 000磁场/Oe饱和磁化强度/（emu/g）40200-20-40（b）图3MPAC性能表征。（a）XRD；（b）VSM6通过测定PAC和MPAC的比表面积和孔体积（表1）可知，MPAC的比表面积和孔体积与PAC相比有所减小，并且随着铁氧化物含量的增加，其比表面积和孔体积减少。四种材料的比表面积和孔体积从大到小依次为PAC、33%-MPAC、50%-MPAC、67%-MPAC。与PAC相比，MPAC的比表面积和总孔体积减少可能由两个原因导致：第一个是活性炭的比表面积和总孔体积远远大于负载物，MPAC中活性炭含量减少，导致了其比表面积和总孔体积的减少；第二个是由于负载的铁氧化物颗粒堵塞了活性炭的孔结构，导致了其比表面积和总孔体积减小。2.2各种因素对吸附的影响2.2.1吸附剂用量的影响吸附剂用量会直接影响吸附效果，一般来说，吸附剂用量越大，吸附效果越好，但是过多吸附剂只会增加成本，对吸附质去除率的升高贡献不大。为了探索几种吸附剂的吸附效果，本文通过改变四种吸附剂的用量来进行吸附研究，实验结果如图4（a）所示。冯竹青，曹鑫，陈辉伦：磁性活性炭的制备及其对邻苯二甲酸二丁酯的吸附 11安庆师范大学学报（自然科学版）2023年（a）PAC33%-MPAC50%-MPAC67%-MPAC0.20.40.60.8吸附剂用量/（g/L）去除率/%1680-8-16-24（b）PAC33%-MPAC50%-MPA