均匀中孔活性炭可几孔径和表面化学对溶液中重金属离子选择吸附性的影响

多价重金属离子会生成尺寸几倍于其经典价态的溶剂化离子，其荷电数目因溶液pH变化；普通活性炭以微孔为主，因表面疏水性与重金属亲和性差；吸附过程中固—液相界面区域相互作用的不确定性，也影响吸附特性。本项目着眼于孔径分布、表面化学和吸附过程固—液相界面之间相互作用对吸附特性的影响来研究活性炭对吸附稳定重金属的作用机理。应用模板法合成以微孔为主、以中孔为主和均匀孔的系列活性炭，通过表面功能化获得具有典型表面化学的试样，以满足对炭试样的特殊需要。采用SiO2为模板得到的炭试样具有典型蜂窝状大孔贯通中孔和小孔结构，以Mg(Ac)2为模板制得均匀孔炭。分别应用不同组别的炭样，系统地研究了对Cr6+、Cr3+、Pb2+、Cd2+和As5+的吸附特性。以中孔为主的活性炭吸附性能明显优于以微孔为主的活性炭，以HNO3氧化（OAC）和氨基化（NAC）获得的功能化活性炭优于其母炭。用氨基化生物炭（NBC）对Pb2+、Cd2+和As5+分别组成二元体系的竞争吸附表明，Pb2+和Cd2+相互抑制，Pb2+或Cd2+对As5+的吸附呈现明显增强作用。应用电化学交流阻抗谱研究了炭在溶液中相界面之间相互作用，溶剂化的Cr3+、Pb2+和Cd2+在>9nm的孔隙中可以自由迁移，在窄小的孔隙中随中孔分率越小扩散阻力越大。在临界电势以上，K+在微孔中吸附，使微孔成为贡献双电层电容主要的孔结构，说明溶剂化粒子有可压缩性，在外势埸作用下可通过变型进入更小的孔隙。与未改性炭相比，功能化活性炭中，容抗以OAC为最大，说明表面反应较慢，可能与溶剂化离子与表面官能团的配合反应较慢有关；自身电荷转移和溶液电阻对Cd2+ 比Pb2+为大，说明粒子尺寸和荷电不同在电极过程中变形和静电作用不同。均孔活性炭在Cr3+溶液中没有扩散阻抗，表明Cr3+在9nm 的孔隙中可以自由扩散。据此，可以设计测定不同溶剂化离子尺寸的实验方法。分步浸提实验表明，活性炭作为土壤添加剂，能显著增强土壤中Cr6+、Cr3+、Pb2+和Cd2+的稳定性，以OAC和NBC稳定性最优。青椒盆栽试验结果表明，OAC和NBC显著降低重金属在植物组织中的积累量，而OAC抑制Pb2+向上传输的能力明显胜于NBC。应用XPS技术对吸附前、后炭样及植物根部组织的分析表明，活性炭对重金属的稳定作用主要归因于与表面官能团的配位吸附。