玉米芯碳材料的制备及对水中Cu2+和Pb2+的吸附实验研究

姜国敬,周玉龙,汪 泉,陈培荣,汪友明

(安徽农业大学 理学院,安徽 合肥 230036)



玉米芯碳材料的制备及对水中Cu2+和Pb2+的吸附实验研究

姜国敬,周玉龙,汪 泉,陈培荣,汪友明*

(安徽农业大学 理学院,安徽 合肥 230036)

以农作物废料玉米芯为原材料，以磷酸改性，利用改性的玉米芯吸附水中重金属Pb2+和Cu2+，并利用SEM、XRD和FT-IR手段对材料进行表征。实验结果表明，制备出的碳材料表面含有—OH和—COOH官能团，碳材料中主要含有无定形碳。对重金属Pb2+和Cu2+最大吸附量分别达到18.24 mg/g和9.06 mg/g。

玉米芯；碳球；吸附

随着中国经济近些年来的快速发展，工业化水平逐渐提高，工业污水对环境的污染日渐加剧。工业污水的排放与处理具有排放量大、污染范围广、污染物质毒性强等特点，因而污水处理成本很高，一些工厂为了节约成本，忽视污水漏排、偷排的严重性，将工业污水未经任何处理，直接排放到河流之中，对生态环境造成了非常严重的后果。而重金属废水是对环境污染最严重、对人类危害最大的工业废水之一[1]。日本发生的轰动世界的骨痛病和水俣病，便是由于含铬废水和含汞废水污染了环境所造成的结果。因此，重金属废水的处理技术受到各国科学家的广泛关注[2]。如化学沉淀、离子交换、电化学处理、反渗透、膜技术、蒸馏、电渗析等处理方法。而在众多处理方法中，吸附法具有成本低，操作简单，处理效果稳定，吸附材料来源广等优点，适用于低浓度重金属废水的处理[3]。生物质资源作为一种来源丰富且廉价的可再生资源，受到人们关注，特别是碳水化合物类，这类材料具有作为未来新能源的巨大潜力。自近年来，利用农林材料作为吸附剂，在处理含重金属离子的废水的研究有着不少报道[4,5]。

近年来，人们在研究新型碳材料的过程中，发现了其巨大的比表面积和表面丰富的含氧官能团在制备高效吸附剂、催化剂载体、气体传感器、色谱固定相以及储能材料等方面有着广泛的前景和应用价值[6，7]。玉米芯和木材一样属于植物纤维原料，是我国产量最大的农林废弃物之一，本身又具有较好的机械强度、含碳量高、灰分及硫含量低、易收集储存等诸多优点，因此玉米芯成为除木质材料外制备多孔碳材料的可选对象之一[8]。本文使用磷酸为改性剂制备碳材料，研究其对水中重金属Cu2+和Pb2+的吸附性能，为其在实际水处理中的应用，提供一定的数据支撑和理论依据。

1 实验部分

1.1 玉米芯碳材料的制备

取烘干玉米芯粉碎到一定的粒度，干燥备用。取5 g玉米芯与10mL磷酸及30 mL的纯水混合均匀后转入总体积为100 mL的聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，将反应釜放入设定好温度的电热恒温鼓风干燥箱(120～220 ℃)中，反应10h之后将反应釜取出。自然冷却至室温。将产物取出，经离心分离后，先用纯水经“离心—洗涤—再分散”过程进行洗至上清液无色，最后干燥得到碳材料样品。

1.2 玉米芯碳材料的表征

通过使用扫描电子显微镜(SEM)来观察碳球的表面形态特征及尺寸大小。用X射线衍射仪对产物进行物相分析。用傅里叶红外分析仪测试样品的红外光谱。

1.3 静态吸附实验

为了研究不同水热温度下的玉米芯碳材料对水中Pb2+和Cu2+重金属的吸附的影响，分别准确称取0.1000 g制得的玉米芯碳材料样品，放置于250mL锥形瓶中，然后分别加入50mL铅离子储备液(Pb2+离子浓度为40 mg·L-1)和铜离子储备液(Cu2+离子浓度为20 mg·L-1)中，于室温下以200 r/min的转速振荡，恒温振荡8 h至吸附平衡，静置，用移液枪吸取不含碳材料的上清液，利用原子吸收分光光度计测定上清液中Pb2+和Cu2+的平衡浓度，从而计算出对应平衡时的吸附量。

2 结果与讨论

2.1 水热温度对玉米芯碳微球形貌的影响

选择不同的水热温度, 考察温度对其形貌的影响。由图1可以看出，水热温度对于碳微球形貌的具有一定的影响，温度越高，碳微球的直径越大，且碳化率越来越高。这可能是由于温度升高后，磷酸对玉米芯中的纤维素与半纤维素的水解催化作用增强，使得产物五碳糖六碳糖的含量增多，进而在相同的反应时间内，得到直径更大的碳微球。在反应温度较低的条件下，产物中存在部分片状纤维，这是由于在低温环境下，磷酸对纤维素半纤维素的水解催化作用较弱，仍有一部分的玉米芯未水解，所以存在片状纤维。而温度升高后，水解程度增强，玉米芯碳化率增高，团聚现象明显，交联现象严重，形态差异较大。

图1 不同温度下得到的碳微球SEM图

2.2 X射线衍射分析

采用X-射线衍射的方法对玉米芯碳微球进行定性分析。图2为在磷酸存在下水热温度160 ℃时的碳微球的XRD图谱。通过对XRD图谱的观察发现，在2θ=10°～30°的范围内有比较宽的衍射峰，没有其他特征峰，该图谱表明所制得的碳微球主要为无定形碳。

图2 160℃条件下制得碳微球的XRD谱图

2.3 红外图谱(IR)分析

玉米芯在磷酸存在下水热碳化后的碳微球的化学结构可以通过红外图谱进行表征。如图3所示，碳球从纤维素分子中继承了大量的官能团，3410cm-1、1225cm-1处对应碳球表面的羟基吸收峰，同时羰基(C=O)振动吸收峰红移到1708cm-1处，1610cm-1对应共轭烯烃骨架振动，1510和1465cm-1处峰的存在可能为苯环骨架振动。这表明玉米芯在水热碳化过程中产生了一定程度的芳香化，因为在水热的过程中玉米芯分子之间进行了一定程度的交联，同时脱水、碳化形成碳碳单键和双键，使得产物部分碳化，这也达到了制备碳微球的目的。

图3 160℃条件下制得碳微球的红外光谱图

2.4 不同水热温度下制备得到碳微球对Pb2+和Cu2+的吸附效果影响

不同水热温度所得碳球对Pb2+和Cu2+的吸附效果影响如图4所示。由图4可知，随着水热温度的升高，所制得的碳材料对Pb2+和Cu2+的吸附量先增大再减小。在160℃时吸附值达到最大，此条件下吸附值分别为18.24 mg/g和9.06 mg/g。

图4 不同温度下制得的碳球对Pb2+ 和Cu2+的吸附值的影响

在碳材料众多的理化性质中，温度对材料的性能影响较大。从SEM图1可以看出，随着温度的升高，碳材料的直径增大，材料的比表面积减小，不

利于材料对Pb2+的吸附。所以在温度从160℃升至200℃的过程中，材料对Pb2+和Cu2+的吸附值下降。温度降低则不利于材料的碳化和结晶，从红外光谱可以看出，材料含有羟基和羧基等官能团，温度降低可能会使与重金属Pb2+和Cu2+结合的官能团数目减少，因而吸附量和去除率降低。

3 结论

通过磷酸改性将玉米芯碳化制备得到碳球。利用SEM、XRD和FT-IR手段对材料进行表征。结果发现，制备出的碳球表面含有大量—OH和—COOH官能团，碳球中主要含有无定形碳。经过对水中重金属Pb2+和Cu2+的吸附性能测试，结果表明：在160℃，反应时间10h条件下的制得的碳材料，对Pb2+和Cu2+最大吸附量分别能达到18.24 mg/g和9.06 mg/g。本研究为农业废弃物玉米芯制备碳材料作为吸附剂处理低浓度重金属废水提供了一定的参考。

[1] 王绍文，姜风有．重金属废水治理技术[M]．北京：冶金工业出版社，1993．

[2] 王文华，冯永梅，常秀莲．玉米芯对废水中铅的吸附研究[J]．水处理技术，2004，30(2)：95-98．

[3] 蚁海琪，龚圣，武威等．玉米芯重金属吸附材料的研究进展[J]． 广东化工，2013，40(18)：73-74．

[4] KS Low, CK Lee, SC Liew. Sorption of cadmium and lead from aqueous solutions by spent grain [J]． Process Biochemistry，2000，36：56-64．

[5] 官章琴，金春姬，任娟等．松果对废水中Cu2+、Pb2+、Zn2+的吸附特性研究[J]． 工业用水与废水，2010，41(4)：59-63．

[6] 臧文伟．多孔碳材料的制备、改性及吸附应用[D]．河北科技大学，2014．

[7] 张永超．碳微球的水热合成及性能研究[D]．黑龙江大学，2008．

[8] 王晓瑞，沈旭佳，钱蕙春等．化学活化法制备玉米芯基多孔炭材料[J]．炭素技术，2010，29(2)：16-19．

2017-01-10

国家自然科学基金面上项目(31570024)；安徽农业大学优才计划项目；国家级大学生创新创业训练计划项目(201510364011)资助

姜国敬(1994-)，男，安徽农业大学理学院学生。

[*通讯作者简介] 汪友明(1977-)，男，博士生，高级实验师，从事生物化工和材料方面研究。

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1674-2273(2017)03-0021-03