王明华，胡玉才，李中玲，唐清华，杨迎霞

（鲁东大学化学与材料科学学院，山东烟台264025）

活性炭纤维对Cu2+的吸附性能研究

王明华，胡玉才，李中玲，唐清华，杨迎霞

（鲁东大学化学与材料科学学院，山东烟台264025）

活性炭纤维（ACF）作为一种新型活性炭吸附材料已引起了化学家们的极大关注。孔结构分析表明：活性炭纤维的孔径分布窄，孔径比较均匀。本文以活性炭纤维作为去除水中重金属离子Cu2+的吸附剂，吸附实验表明，活性炭纤维对Cu2+的最大吸附量为148.50mg·g-1，吸附平衡时间短，当接触时间为50min时，即可达到吸附平衡，吸附过程符合Langmuir和Freundlich模型。动态吸附结果表明，活性炭纤维对Cu2+的吸附量随着流速的增加而降低。

活性炭纤维；Cu2+；吸附

活性炭纤维（ACF）主要分为粘胶基ACF、酚醛基ACF、聚丙烯腈基ACF（PAN-ACF）、沥青基ACF（Pitch-ACF）等[1-5]，由于ACF的前驱体不同，因此，其表面的官能团不同，所以不同的ACF产品有不同的作用，在应用中应根据需要选取相应的活性炭纤维。与粉状活性炭（PAC）和颗粒活性碳（GAC）相比，活性炭纤维具有比表面积大，吸附容量大，吸附速度快，脱附条件温和及再生容易等优点，在水处理[6-10]和气体处理[11，12]方面得到越来越广泛的应用。本文以活性炭纤维作为吸附剂，研究其对重金属离子Cu2+的吸附特性，为活性炭纤维的应用提供一定的实验依据。

1 仪器和试剂

ASAP-2000比表面积分析仪（麦克公司，美国）；Unic7200分光光度计（英国Unic公司）；BT-100恒流泵（上海泸西分析仪器厂）；SHA-C恒温振荡器（金坛市恒丰仪器厂）。

活性炭纤维：森友公司生产；无水CuSO4，HCl均为分析纯。

2 实验方法

2.1 标准曲线的绘制

称取2.50g无水硫酸铜置于200mL烧杯中，用蒸馏水将其溶解，移入1000mL的容量瓶中定容，得到1.6g·L-1的待用液。

分别配制浓度为40，80，120，160，200，240，280，320mg·L-1的溶液100mL，分别测量它们的吸光度，绘制标准曲线见图1。

图1 标准曲线Fig.1Standard curve

2.2 静态吸附实验

2.2.1 浓度对吸附量的影响分别移取浓度为180，240，300，360，420，480mg·L-1Cu2+溶液25mL于100mL碘量瓶中，分别加入0.100g活性炭纤维，在283K的温度下，以100r·min-1的振荡速度，振荡50min，测量它们的吸光度A，计算吸附后Cu2+的浓度，计算吸附率。

2.2.2 活性炭纤维用量对吸附的影响分别取25mL浓度为600mg·L-1Cu2+的溶液置于6个碘量瓶中，依次加入0.020g，0.040g，0.060g，0.080g，0.100g，0.120g的炭纤维，在283K的温度下，以100 r·min-1的振荡速度，振荡50min，测量它们的吸光度A，考察不同炭纤维量对吸附率的影响。

2.2.3 吸附时间对吸附量的影响分别移取浓度为600mg·L-1Cu2+的溶液25mL置于6个碘量瓶中，分别加入0.100g炭纤维，在283K的温度下，以100r·min-1的振荡速度，每隔10min取样，测定它们的吸光度A，考察不同吸附时间时活性炭纤维对Cu2+的吸附率。

2.3 动态吸附实验

2.3.1 浓度对动态吸附的影响室温条件下，在内径为1cm的碱式滴定管中，加入0.100g活性炭，装柱高度为3cm，以1.0mL·min-1的流速，分别将浓度为160，200，240，280，320，360mg·L-1Cu2+溶液通过吸附柱，考察不同浓度Cu2+溶液的动态吸附情况。2.3.2流速对动态吸附的影响室温条件下，在内径为1cm的碱式滴定管中，加入0.100g活性炭，装柱高度为3cm，将Cu2+溶液分别以0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0mL·min-1的流速通过吸附柱，通过测量流出液的吸光度，获得吸附后的Cu2+浓度，研究流速对吸附的影响，从而得出最佳流速。

3 结果与讨论

3.1 ACF与GAC的细孔分布

图2可以看出，活性炭纤维空隙结构的特点是孔径分布窄，孔径比较均匀，暴露在纤维表面的大多是20魡左右的微孔。

图2ACF与GAC的孔径分布曲线Fig.2Pore size distributions of ACF and GAC

3.2 静态吸附实验

3.2.1 浓度对吸附量的影响炭纤维对Cu2+吸附量随着浓度的增大而逐渐增大，当浓度为480mg·L-1时，吸附量达到最大随后基本保持不变（图4），这是因为在浓度较低时，炭纤维吸附未达到饱和，随着浓度的增加，吸附量也逐渐增大，最后吸附达到平衡，浓度再增大，吸附量也基本不变。

图3 浓度对吸附量的影响Fig.3Effect of concentration to adsorption quantity

3.2.2 活性炭纤维用量对吸附率的影响考察了相同条件下不同活性炭纤维加入量时，活性炭纤维对Cu2+的吸附情况（图4），结果表明，随着加入的活性炭纤维的量增多，吸附率增大，当活性炭纤维加入量达到0.100g之后，吸附率达到99%，此后随着用量的增加吸附率增加幅度减小，这说明吸附基本达到饱和，所以从实际生产的角度出发，应根据溶液的浓度确定较优的吸附剂的量。

图4 活性碳纤维用量对吸附率的影响Fig.4Effect of quality of activated carbon to adsorption rate

3.2.3 吸附动力学考察活性炭纤维对Cu2+的吸附率随时间的变化，结果表明（图5），随着吸附时间的增加，吸附率逐渐增大，50min之内，吸附率变化很快，50min之后，吸附百分率达到99%以上，吸附率趋于恒定。说明活性炭纤维对Cu2+的吸附可以较迅速的达到平衡，为其实际应用打下基础。

图5 吸附率随时间的变化曲线Fig.5Effect of time to adsorption rate

3.2.4 吸附等温线考察了不同Cu2+起始浓度条件下，活性炭纤维对Cu2+的吸附情况，结果表明，随着Cu2+起始浓度的增大，活性炭纤维对Cu2+的吸附量增大。用Langmuir吸附等温式来描述吸附量qe与平衡浓度Ce之间的关系，其公式为

式中b：单层吸附的最大吸附量，mg·g-1；Ce：吸附平衡后的浓度，mg·L-1；k：Langmuir常数，L·g-1，将上式变形为：

以Ce/qe对Ce作图（图6），得方程y=0.0635x+ 1.9727，其中最大吸附量b=148.50mg·g-1，吸附常数k=0.0034136，直线相关系数为0.9835，接近于1。因此，ACF对Cu2+的吸附符合Langmuir吸附等温式。

图6Langmuir吸附等温线Fig.6Langmuir adsorption isothermal

将实验数据用Freundlich吸附等温式处理，其公式为

式中qe：为平衡吸附量；Ce：平衡浓度，KF，n在一定的温度下对一定的体系而言都为常数，用lnqe对lnCe作图（图7），结果表明，ACF对Cu2+的吸附较好地符合Freunlich吸附等温式。

图7Freunlich吸附等温线Fig.7Freunlich adsorption isothermal

3.3 动态吸附

3.3.1 初始浓度对动态吸附的影响考察不同Cu2+起始浓度时活性炭纤维对Cu2+的动态吸附（图8），结果表明，通过吸附柱的Cu2+起始浓度越低，吸附量越大，这主要是因为当Cu2+溶液的浓度较高时，Cu2+在ACF微孔的孔径处吸附，影响其它Cu2+进入纤维径内进行吸附，在纤维孔腔内不能形成比较规则的堆积，故吸附量减小。

图8 初始浓度对吸附的影响Fig.8Effect of initial concentration to adsorption

3.3.2 流速对动态吸附的影响考察流速对吸附的影响（图9）可以看出，活性炭纤维对Cu2+的吸附量随着流速的增加而降低，这可能是因为上柱流速过大，一部分Cu2+还未来得及被吸附就流出吸附柱，当流速为1.5mL·min-1时，吸附量最大，所以在实践中要选择适当的流速以提高吸附效率。

图9 流速对吸附的影响Fig.9Effect of flow rate to adsorption

4 结论

活性炭纤维对Cu2+的最大吸附量可达到148.50 mg·g-1，其吸附规律较好地符合Langmuir和Freunlich吸附等温式。活性炭纤维对Cu2+的吸附速率较快，在283K的温度下，以100r·min-1的振荡速度，当吸附50min时，吸附百分率趋于恒定，吸附百分率达到99%以上。随着Cu2+浓度的增大，活性炭对Cu2+的吸附量略有减小。活性炭纤维对Cu2+的吸附率随着吸附剂用量的增加而增大，但当增大到一定程度时吸附率不再变化。流速越慢吸附量越大，但是考虑到实际需要应选择合适的流速。

［1］奚旦立,孙裕生,刘秀英.环境监测［M］.北京:高等教育出版社, 1995.

［2］龙向于,黄种买,百发元.活性炭纤维在水处理中的应用现状［J］.电力环境保护,2004,20（1）:46-48.

［3］唐登勇,郑正,苏东辉.活性炭纤维及其在水中的应用及进展［J］.工业用水与废水,2003,34（4）:1-4.

［4］周娟娟,胡中华,吴海芳.活性炭纤维及其在水处理中的应用［J］.环境污染与防治,2003,25（2）:80-83.

［5］Akmil-Basar C Onal Y Kilicer T,Eren D.Adsorption of high concentration malachite green by two activated carbons having different porous structures［J］.Journal of Hazardous Materials B, 2005,127:73-80.

［6］杨骏.活性炭自水溶液中吸附酚的研究［J］.化学研究与应用, 1997,9（2）:155-162.

［7］周善,陈传文.电-Fenton法处理4-氯酚废水［J］.环境污染治理技术与设备,2004,5（10）:56-59.

［8］陈芳艳,唐玉斌,茅新华.活性炭纤维对水中重金属离子的吸附研究［J］.辽宁科技,2002（2）:149-151.

［9］伍海辉,朱斌.饮用水深度处理中活性炭的筛选实验研究［J］.环境科学,2003,22（3）:45-247.

［10］张玉蕴.活性炭在污水处理中的应用［J］.山西建筑，2003，29（2）:10-13.

［11］张勇奇,房倚天,黄戒介.活性焦孔结构及表面性质对脱除烟气中SO2的影响［J］.燃烧科学与技术,2004,（2）:160-164.

［12］刘正中,串亚权.改性PAN基活性炭纤维的二氧化硫的吸附性能［J］.环境科学,1994,15（4）:4-5.

Study on adsorption properties of activated carbon fiber for Cu2+

WANG Ming-hua，HU Yu-cai，LI Zhong-ling，TANG Qing-hua，YANG Ying-xia
（School of Chemistry and Materials Science，Ludong University，Yantai 264025，China）

In recent years,activated carbon fiber（ACF）as a new type activated carbon has aroused enormous interest.The pore structure analysis shows that activated carbon fiber with narrow and homogeneous pore size distributions can be obtained.Activated carbon fiber was used as adsorbent of Cu2+in water in this paper.Thermodynamic analysis revealed that the adsorption reached to equilibrium in 50 minute and the saturated adsorption amount reached 148.50mg·g-1of activated carbon fiber for Cu2+.The experimental equilibrium data was fitted to the Langmuir and the Freundlich models.The dynamic adsorption result indicated that the adsorption amount of activated carbon fiber for Cu2+decreased with the increasing of flow rate.

activated carbon fiber；Cu2+；adsorption

book=2012,ebook=69

A

1002-1124（2012）06-0063-04

2012-04-13

王明华(1976-)，女，讲师，硕士研究生，研究方向：功能高分子。