活性炭國(guó)家專(zhuān)精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　銫由于其結(jié)構(gòu)與鉀非常相似，因此它可以替代鉀，并且易于摻入土壤和水中，從而破壞了生態(tài)系統(tǒng)。因此，需要從放射性廢水中去除銫，以避免所有這些對(duì)人類(lèi)和環(huán)境的不利影響。一般經(jīng)濟(jì)適用的方法是使用吸附材料吸附，在這種情況下，已經(jīng)測(cè)試了不同的吸附劑，例如沸石，活性炭和過(guò)渡金屬M(fèi)HCFe等。

　　具有高表面積和發(fā)達(dá)孔隙率的活性炭被認(rèn)為對(duì)吸附的許多污染物效果很好。此外，活性炭具有低成本和高機(jī)械強(qiáng)度以及對(duì)熱，化學(xué)物質(zhì)和輻射的良好抵抗性。這些材料是較早被研究為銫吸附劑的材料。菱沸石，沸石和活性炭的混合吸附劑也已用于從低含量的廢液中同時(shí)去除銫和碘。許多實(shí)驗(yàn)表明，能除去銫的活性炭的原材料如鋸末椰子殼，杏仁殼或不同的種類(lèi)活性炭。影響這些材料對(duì)銫的吸附行為的主要因素是溶液的pH值和濃度，一些共存離子的存在以及吸附溫度。材料特性也可能影響吸附能力。過(guò)渡金屬(MHCFe)是另一類(lèi)有趣的材料，由于其立方結(jié)構(gòu)的尺寸與銫離子的擴(kuò)散兼容，因此對(duì)于銫的吸附效果很好的。

　　在這些復(fù)合材料中，由于活性炭與過(guò)渡金屬M(fèi)HCFe的結(jié)合能力特別重要，因此這兩種組分都具有吸附能力。在本研究中，提出了一種簡(jiǎn)單的兩步浸漬方法來(lái)設(shè)計(jì)新的納米復(fù)合材料，該材料結(jié)合了高度多孔的活性炭和不同的過(guò)渡金屬(鎳，銦和銅)MHCFe。對(duì)于從水溶液中去除銫離子，評(píng)估了這些合成的納米復(fù)合材料的吸附性能。此外，還研究了活性炭表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)納米復(fù)合材料吸附效率的影響。從材料的孔隙率，表面化學(xué)性質(zhì)和金屬相方面討論了吸附機(jī)理。官能化碳載體與過(guò)渡金屬的結(jié)合被證明是通過(guò)不同機(jī)理提高銫吸附能力的有效方法。

　　銫吸附測(cè)試

　　使用原子吸收光譜儀測(cè)量銫的吸附容量。用于銫檢測(cè)的原子吸收中使用的波長(zhǎng)為852.1 nm。選擇硝酸銫(CsNO 3)作為接觸溶液中的前體，其濃度固定為2 mmol/L(265 mg·L -1)。在室溫下攪拌下進(jìn)行24小時(shí)的接觸時(shí)間的測(cè)量。已經(jīng)對(duì)銫濃度進(jìn)行了校準(zhǔn)，以允許進(jìn)一步量化。接觸溶液中使用的納米復(fù)合物濃度固定為1 g·L-1。因此，使用了50 mg活性炭或活性炭負(fù)載過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合材料和50 mL銫儲(chǔ)液來(lái)計(jì)算活性炭的吸附量。

　　過(guò)渡金屬類(lèi)型的影響

　　首先研究了金屬類(lèi)型對(duì)活性炭負(fù)載過(guò)渡金屬的形成及其吸附能力的影響。通過(guò)TEM和STEM研究獲得了納米復(fù)合材料的一般形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征(圖1)。在活性炭負(fù)載過(guò)渡金屬材料鎳和銦的經(jīng)典TEM圖像上未觀察到納米顆粒。由于STEM圖像的對(duì)比度取決于原子序數(shù)Z，因此金屬相將比碳基質(zhì)亮。這種行為促進(jìn)了金屬納米顆粒在碳基質(zhì)中的定位。STEM模式顯示金屬以非常分散的方式存在于活性炭負(fù)載過(guò)渡金屬材料鎳和銦中。這可能與碳基質(zhì)中顆粒的高密度有關(guān)�；钚蕴枯d復(fù)合銅的形態(tài)有很大不同，納米顆粒在經(jīng)典TEM和STEM技術(shù)中均清晰可見(jiàn)。它們分散在碳網(wǎng)絡(luò)中的分布非常不均勻，其大小在10至30 nm之間變化。

　　圖1：活性炭載復(fù)合金屬鎳(A，B)，銅(C，D)和銦(E，F(xiàn))的(左)經(jīng)典TEM和(右)相應(yīng)的STEM圖片。

　　進(jìn)行EDX映射以獲得有關(guān)顆粒的局部化學(xué)組成的更多信息。作為示例，圖2呈現(xiàn)了活性炭載鎳材料的EDX映射。如觀察到的圖2中，鎳和鐵，還鉀的存在下，在該材料檢測(cè)。這三種金屬的EDX映射的疊加顯示出完美的匹配，表明納米粒子結(jié)構(gòu)中存在所有這些金屬。除小顆粒外，還觀察到一個(gè)位于碳末端的大顆粒，并且鎳比其他金屬富集。對(duì)于活性炭載銅和銦在顆粒結(jié)構(gòu)中也發(fā)現(xiàn)了鉀的存在。

　　圖2：活性炭負(fù)載過(guò)渡金屬鎳材料的EDX圖譜，顯示了納米粒子中鎳，鐵和鉀的存在。

　　活性炭表面化學(xué)的影響

　　活性炭的表面化學(xué)在通過(guò)浸漬過(guò)程的納米復(fù)合材料合成中具有重要作用。氧表面官能團(tuán)的性質(zhì)和濃度可能影響納米顆粒的形成以及銫的吸附。可以使用熱處理和化學(xué)處理來(lái)修飾表面官能團(tuán)�？梢赃M(jìn)行氣相或液相氧化以增加表面上存在的氧基團(tuán)的濃度。使用硝酸處理來(lái)增加羧基(-COOH)的濃度�？紤]到在合成的納米復(fù)合材料中銫對(duì)銫的吸附性能最高，選擇了活性炭載復(fù)合銅納米復(fù)合材料來(lái)研究表面化學(xué)的影響。

　　這些樣品的氮吸附等溫線和孔徑分布如圖3所示。。盡管活性炭和活性炭負(fù)載過(guò)渡金屬樣品的等溫線是I/IV型，結(jié)合了微孔和中孔性，但很難觀察到這些曲線的中孔部分，而活性炭負(fù)載過(guò)渡金屬樣品的等溫線幾乎消失了，說(shuō)明了中孔性。該觀察結(jié)果與孔徑分布曲線一致，進(jìn)一步顯示了孔徑和尺寸的減小。另外，我們注意到，在兩種情況下，過(guò)渡金屬銅相的引入均導(dǎo)致窄的孔徑分布。這可能表明活性炭孔中存在一些顆粒。多孔性的降低和氧官能團(tuán)濃度的增加可能會(huì)影響銫的吸附性能。

　　圖3：幾種活性炭材料的氮吸附等溫線和孔徑分布。

　　新穎的納米復(fù)合材料是由活性炭和使用合成的過(guò)渡金屬(鎳，在，銅)在簡(jiǎn)單的浸漬過(guò)程中獲得。納米復(fù)合材料具有相似的孔隙率，但是金屬納米顆粒的大小和分布不同。在這些材料中，納米復(fù)合活性炭載銅表現(xiàn)出較好的銫吸附性能。因此，該活性炭的表面化學(xué)用硝酸處理，以使之更適合作為這些金屬相載體改性。銫吸附測(cè)試表明，對(duì)于活性炭材料的吸附。這種行為可能與活性炭的富氧表面化學(xué)有關(guān)，這是比多孔特性更有利于銫吸附的關(guān)鍵參數(shù)。此外，與使用未改性的活性炭對(duì)應(yīng)納米復(fù)合物相比，改性后的活性炭載過(guò)渡金屬獲得的銫吸附能力大大提高。這些性能可能會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)被銫污染的水的處理凈化。

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