Page 167 - 《精细化工》2020年第4期

第 4 期 王邓峰，等: 萝藦绒活性炭纤维的制备及其对亚甲基蓝的吸附性能 ·801·

期水质净化处理造成巨大困扰 [1-3] 。尽管多种技术已 1 实验部分
经被广泛开发和应用于染料废水净化，如：高级氧
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化法 、膜分离 、电化学 、光催化技术 [7-8] 和物 1.1 材料、试剂和仪器
[9]
理吸附 等，但受制于净水效率、产业化难度和成 萝藦绒（由安徽省马鞍山萝藦种植基地提供，
本等因素，难以满足工业净水需求。活性炭纤维作 使用前经脱蜡处理）；亚甲基蓝、磷酸、氢氧化钠、
为第三代吸附炭材料，具有高比表面积、丰富活性 盐酸，AR，上海阿拉丁试剂公司；渗透剂 JFC-G，
基团和发达的孔隙结构等特点，是一种理想的净水 工业级，临沂市绿森化工有限公司。
吸附材料 [10-12] ，活性炭纤维吸附法因使用便捷，吸 Lambda 950 型紫外-可见分光光度计，美国
附效率高，被认为是最具有竞争力的印染废水处理 PerkinElmer 公司；S-4800 扫描电子显微镜-X 射线
方法 [13] 。 能谱联用装置，日本日立公司；Renishaw In Via 显
目前，活性炭纤维活化技术发展较为成熟，主 微拉曼光谱仪，英国 Renishaw 公司；ZS 90 纳米粒
要包括物理活化（H 2 O、CO 2 等）、化学活化（KOH、 径分析仪，英国 Marvern 公司；NOVA 2000e 比表面
H 3 PO 4 、ZnCl 等）及物理-化学耦合法 3 类 [14] ，其中， 积及孔径分析仪，美国 Quantachrome 公司；SK2 型
磷酸活化法因具有活化温度低（450~500 ℃），易于 真空管式马弗炉，深圳市三利化学品有限公司；
保留活性官能团及形成发达孔隙等优势被广泛采 SHB-3 型真空循环抽滤泵，上海豫康科教仪器设备
用 [15] 。已有文献表明，磷酸活化制备的活性炭纤维 有限公司；DZF-6020 型真空干燥箱，上海金三发科
具有优异的染料吸附性能并可应用于多种染料废液 学仪器有限公司。
净化，包括亚甲基蓝 [16] 、甲基橙 [17] 、活性艳红 X-3B [18] 1.2 萝藦绒活性炭纤维的制备
和活性艳蓝 [19] 等，具有工业化潜力 [10] 。然而，上述 将 20 g 萝藦绒浸渍于 500 mL 质量浓度为 2.0 g/L
活化技术所制备的活性炭纤维的吸附性能仍相对较 氢氧化钠溶液中，滴加 1.0 mL 渗透剂 JFC-G，常温
低。以对亚甲基蓝的吸附量为例，普通活性炭纤维 振荡处理 24 h 以除去纤维表面蜡质及水溶性杂质；
仅为 100~200 mg/g，而高性能活性炭纤维多集中于 随后，将去除蜡质的萝藦绒水洗至中性，并继续浸
200~500 mg/g [20-22] 。因此，研究人员致力于提升生 渍于体积分数为 30%的磷酸溶液中活化处理 12 h；
物基 ACF 吸附效率，相关研究工作主要集中在调整 活化萝藦绒取出后烘干，放置于管式马弗炉中，在
活化方式及工艺参数 [23] 、二次活化 [24] 或 ACFs 改性 [25] 200 ℃下预氧化 2 h 后抽真空，升温至 500 ℃，炭
等，上述方法在一定程度上提升了 ACF 的吸附效 化 70 min，制得活性炭纤维，接着，将其置于浓度
率，但随之带来的是助剂成本和能耗增加、工艺繁 为 1 mol/L 盐酸溶液中室温下浸泡 1 h，然后，将炭
琐及 ACF 产率下降等问题。此外，随着绿色可持续 纤维滤出充分水洗，经 40 ℃烘干并研磨后，用于
发展理念的普及，以生物基纤维替代石化资源制备 对亚甲基蓝的吸附实验。
活性炭纤维成为工业化发展趋势 [26] 。因此，制备超 1.3 萝藦绒活性炭纤维的吸附实验
高吸附量的生物基活性炭纤维对于活性炭纤维用于 将研磨的活性炭纤维经 100 目金属镍网筛过滤
印染废水净化具有重要意义。值得注意的是，当前 后，称取 50 mg，投放至不同浓度的亚甲基蓝溶液
基于天然纤维中空结构特征制备高效 ACF 的研究 中，在 120 r/min 的转速下振荡吸附，吸附处理后的
尚不多见。以具有高中空和异形截面结构的萝藦种 亚甲基蓝溶液经定性滤纸和 0.45 μm 滤膜过滤后，利
毛纤维为例 [27] ，若针对纤维内外表面高效活化，将 用紫外-可见分光光度计测试亚甲基蓝溶液在 665 nm
提高纤维原料利用率，理论上制备炭纤维将具有更 处吸光度值，绘制该染液标准曲线，采用残液吸光
高的比表面积。 度法测试不同纤维对亚甲基蓝染料的吸附性能。
本文拟以具有高中空结构的萝藦绒为原料，选 1.4 性能测试
用磷酸-渗透剂复配高渗性活化剂对纤维内外表面 1.4.1 活性炭纤维的形貌、结构及在溶液中 Zeta 电
有效活化，采用低温预氧化和真空高温炭化方式来 位的测试
制备萝藦绒活性炭纤维，对其多孔形貌及聚集态结 活性炭纤维经喷金后，利用扫描电镜对其微观
构进行分析；同时以亚甲基蓝溶液模拟废液，考察 形貌进行观察，设置加速电压 5 kV，电流 10 mA，
吸附时间、温度、pH 等条件对活性炭纤维饱和吸附 同时通过能谱仪检测 N、P 和 O 元素在活性炭纤维
性能的影响，并基于吸附动力学、热力学及吸附模 表面分布情况；用 X 射线衍射仪测定活性炭纤维聚
型分析其吸附机理，以期为绿色低成本萝藦绒活性 集态结构并与萝藦绒原纤维进行对比，扫描范围
炭纤维的开发及其对亚甲基蓝废液吸附的应用提供 （2θ）10°~60°，扫描速度 4 (°)/min；用拉曼光谱仪
理论基础支撑。 对活性炭纤维样品进行扫描，波长为 514 nm，扫描