铜基碳气凝胶的制备及其吸附性能研究
2020-03-30任滋琪亓国雯
任滋琪，张 晨，吴 晗，亓国雯，梁 慧
(山东农业大学 化学与材料科学学院，山东 泰安 271018)
随着工业和农业的迅猛发展，环境污染已成为严重的社会问题，其中尤其以水污染最为突出；其中有机污染物由于对人体健康造成不可逆转的严重危害，已成为污染防控的重点对象[1]。当前处理水体污染物的主流方法是吸附法和催化氧化法[2-4]，吸附法因其操作简单、吸附材料可循环利用等优点受到青睐。
活性炭因其制备简单、价格低廉、比表面积大等特点而被广泛应用于水处理技术中。目前，新型碳材料的制备与改性成为研究热点之一，水热碳、生物碳、碳气凝胶等碳材料被广泛报道[5-7]。碳气凝胶是一种质轻、热稳定性好、比表面积高的三维网络结构碳材料，由于合成方法复杂、成本高、周期长等缺点限制了碳气凝胶在水污染处理中的应用。因此，寻找经济易得、吸附效果优异的碳气凝胶材料势在必行。
本文通过简单的浸渍、煅烧成功地制备了铜基碳气凝胶，铜氧化物均匀分散在碳气凝胶中，为吸附亚甲基蓝提供了更多的活性位点。
1 实验
1.1 铜基碳气凝胶的制备
将5gCuSO4溶于100mL H2O中配成硫酸铜溶液。将豆腐切小块后放入硫酸铜溶液中浸渍24 h，整个浸渍过程在4 ℃下进行。将浸渍后的蓝色豆腐于60℃下干燥6h，然后在氮气保护下于管式炉中500℃煅烧3h。将得到的黑色铜基碳气凝胶于研钵中研磨成粉末使用。纯碳气凝胶采用无浸渍的豆腐在相同条件下制得。
1.2 吸附性能实验
在吸附性能测试实验中，所有的有机染料浓度都是50mg/L。具体实验步骤如下：取一定量的产品加入到60mL的有机染料溶液中，30℃恒温水浴震荡，间隔20 min取样，离心后用0.22 μm的滤膜过滤，然后采用紫外分光光度计进行吸光度测试，并计算吸附效率。
2 结果与讨论
2.1 XRD分析
图1 铜基碳气凝胶、碳气凝胶的XRD图谱Fig.1 The XRD patterns of copper carbon aerogels and carbon aerogels
图1为铜基碳气凝胶和纯碳气凝胶的XRD谱图。从图中我们可以明显地看到，没有浸渍的豆腐经过煅烧后全部变成了碳，而浸渍过CuSO4溶液的豆腐煅烧后的XRD图中既有碳的峰，又有铜氧化物的峰，这表明使用该方法可以合成铜基碳气凝胶。
2.2 SEM分析
图2 铜基碳气凝胶的SEM图Fig.2 SEM images of copper carbon aerogels samples
铜基碳气凝胶的表面如图2a所示。从图2a中可以看到，铜基碳气凝胶的表面疏松多孔，并均匀的分散着粒径几十纳米的铜氧化物颗粒。从孔隙的区域向里看(如图2b所示)，也可以看到均匀分布的铜氧化物，这说明铜基碳气凝胶的内部和表面一样，都有分布均匀的铜氧化物颗粒。这些高分散度的铜氧化物颗粒极大地增加了碳气凝胶的比表面积。
2.3 铜基碳气凝胶对不同有机染料的吸附研究
图3 铜基碳气凝胶对不同有机染料的吸附性能Fig.3 Absorption of CR，MB，RhB and MO using copper carbon aerogels
图3是铜基碳气凝胶对不同有机染料的吸附曲线。从图中曲线中可以看出，在前20min铜基碳气凝胶对4种有机染料都有一定的吸附效果；罗丹明B和甲基橙在20min基本达到吸附平衡，而亚甲基蓝在40min时达到吸附平衡；随着震荡时间的延长，刚果红的浓度仍然在持续下降，说明此时复合物对刚果红还未达到吸附饱和。在震荡时间100min时，铜基碳气凝胶对刚果红的去除率基本达到99%。
2.4 不同吸附剂对刚果红的吸附研究
为了探讨铜基碳气凝胶对刚果红的吸附性能，在相同条件下进行了纯碳气凝胶、铜氧化物对刚果红的吸附对照试验，实验结果如图4所示。从图中可以看出，铜氧化物对刚果红基本没有吸附；而碳气凝胶对刚果红具有一定的吸附能力，震荡时间80 min时基本达到吸附平衡，碳气凝胶对刚果红的去除率约为55%。相较于纯碳气凝胶和铜氧化物，铜基碳气凝胶表现出了最高的吸附性能。在100 min内，对刚果红的去除率为99%。通过对比发现，高度分散的铜氧化物复合在碳气凝胶上致使碳气凝胶的比表面积变大，从而有效地增大了铜基碳气凝胶与刚果红的接触面积，因此表现出了优异的吸附能力。另外，有文献报道，铜氧化物与碳气凝胶之间紧密的接触可能对刚果红的吸附提供了大量的活性位点。
图4 铜基碳气凝胶、碳气凝胶和铜氧化物对刚果红的吸附性能对比Fig.4 Comparison of adsorption properties of CR with different adsorbent (copper carbon aerogels,carbon aerogels and copper oxide)
3 结论
通过简单的浸渍、煅烧制备的铜基碳气凝胶，铜氧化物均匀地分散在碳气凝胶的孔隙中。与纯碳气凝胶和铜氧化物相比，铜基碳气凝胶对有机染料污染物刚果红表现出了优异的吸附性能，100 min内刚果红去除率高达99%。
