Page 217 - 《精细化工）》2023年第10期

第 10 期 张欣磊，等: 芳胺废渣衍生多孔碳高效吸附去除对硝基苯酚 ·2295·

且难以被生物降解，其废水排放会引发严重的环境 密度泛函理论计算，揭示杂原子掺杂位点增强的
[3]
污染 。因此，开发高效、低成本的含 PNP 废水处 PNP 吸附机理。
理方法具有重要的现实意义。
1 实验部分
近年来，已有研究者对 Fenton 氧化法、电化学
氧化法、臭氧氧化法和萃取法处理含硝基酚类废水
1.1 试剂与仪器
的工艺开展了相关研究，但上述处理技术普遍存在
四水合乙酸镁，AR，上海山浦化工有限公司；
着工艺技术复杂、操作成本高等问题。与之相比，
冰乙酸、无水甲醇，分析纯，天津市富宇精细化工
吸附法具有处理工艺简单、操作方便等优点，被广 有限公司；N 2 （体积分数为 99.99%），山东烟台得
泛应用于水中有机污染物的去除。吸附法的核心是 一气体有限公司；PNP（质量分数为 99.5%）、盐酸
吸附剂的选择，目前常用的吸附剂主要有活性炭、 （质量分数为 36.0%~38.0%）、NaOH（质量分数为
[4]
吸附树脂、沸石、氧化铝、分子筛等 。其中，活 96.0%），国药集团化学试剂有限公司；R 废渣，中
性炭具有来源丰富、耐酸耐碱、比表面积大、孔道 石化南化公司橡胶抗氧剂精馏段；NaCl，分析纯，
结构丰富等优点，是应用最为广泛的吸附材料之一， 天津 市北 辰 方 正 试 剂 厂 ； MgSO 4 （质 量分 数 为
但目前活性炭的制备还存在不少问题。首先，活性 99.0%），天津市博迪化工有限公司；KNO 3 （质量分
炭生产通常采用物理活化或化学活化法，物理活化 数为 99.0%），天津市广成化学试剂有限公司；去离
[5]
法需要 800~1000 ℃的高温活化条件，能耗极大 ， 子水，自制。
而化学活化法需要消耗 NaOH 或 KOH 等强腐蚀性 Kubo X1000 孔径与比表面积分析仪，北京彼奥
活化剂，对设备要求高，限制其在废水处理中的推 德电子技术有限公司；DTM-1B-1 开启式管式炉，
广应用。其次，传统活性炭通常以微孔为主，狭窄 合肥科晶材料技术有限公司；UV-3100PC 紫外-可见
的孔隙结构不利于有机物分子的扩散传输，并且碳 光分光光度计，上海美普达仪器股份有限公司；
材料表面呈非极性，与强极性的硝基酚类污染物分 HZS-H 水 浴 摇 床，常州天 瑞仪器有限 公司；
子之间的相互作用弱，缺少有效的吸附位点，影响 JSM-7500F 型冷场发射扫描电子显微镜，日本电子
株式会社；Escalab 250Ⅺ型 X 射线光电子能谱仪，
其吸附容量。此外，传统活性炭生产通常以生物质、
美国赛默飞世尔科技公司；DL-720E 超声波振荡器，
石化产品以及煤炭为原材料，其制备过程会消耗大
上海五相仪器仪表有限公司。
量的新鲜资源，并不符合绿色可持续的原则。
1.2 R 废渣衍生多孔碳的制备
事实上，工业生产过程中除了存在废水排放，
以四水合乙酸镁作为模板剂前驱体，与碳源（R
也会伴生大量的废渣，例如芳胺类化工产品的生产。
废渣）用一锅法制备了一系列芳胺废渣衍生多孔碳
目前，工业上缺乏对该类废渣高效利用的方法，通
材料。用研钵将块状 R 废渣粉碎成固体小颗粒，取
常采用焚烧或填埋对其进行处理，不仅造成了资源
10.0 g R 废渣、53.5 g 四水合乙酸镁（相当于 10.0 g
的浪费，还容易引发二次污染。由于这类废渣含碳
氧化镁），用研钵研磨至粉末状。将充分混合均匀的
量高且富含 N、O 等成分，是制备原位 N 掺杂碳材
粉末转移到刚玉舟中，利用管式炉反应器进行炭化
料的理想前驱体。对于碳材料的制备，除了传统的
操作。在 45 mL/min 的 N 2 氛围中，以 1.5 ℃/min
活化方法外，近年来备受关注的模板法不仅制备条
的升温速率升温至 700 ℃，且在该温度条件下维持
件温和，并且通过调节模板剂类型及比例能够实现碳 60 min，在 N 2 氛围下自然冷却至室温后取出黑色粉
[6]
材料孔道结构和比表面积的定向调控 。因此，如 末状产物。然后，将产物加到 200 mL 2.5 mol/L 的
果将工业废渣资源与模板法相结合，则有望低成本地 盐酸中，置于超声波振荡器中振荡 30 min，过滤后
制备兼具合理孔道结构和表面极性吸附位点的碳基吸 用去离子水洗涤至 pH 为中性。最后在 120 ℃下干
附材料，为水中 PNP 的高效吸附去除提供新的思路。 燥 240 min，得到产物。其中 m(氧化镁)∶m(R 废
基于此，本研究拟以芳胺废渣（R 废渣）为前 渣)=1.00∶1，记为 RPC-1.00。
驱物、四水合乙酸镁作为氧化镁的前驱体（四水合 其余产物的制备方法同上，只需改变氧化镁用
乙酸镁与 R 废渣在受热过程中融化混合会使混合更 量，即四水合乙酸镁用量，将 m(氧化镁)∶m(R 废
加充分），采用模板法制备 N、O 原位共掺杂的分级 渣)=0.50∶1、0.75∶1、1.25∶1 制得的产物分别命
多孔碳（RPCs），并将其应用于水中 PNP 的吸附去 名为 RPC-0.50、RPC-0.75、RPC-1.25。
除。通过静态以及动态吸附评价实验系统考察所制 1.3 表征方法和性能测试
备碳材料的吸附容量、吸附速率、pH 和杂质离子影 利用加速电压为 5 kV 的冷场发射扫描电子显
响等吸附性能。通过碳材料的结构性质表征并结合 微镜对样品的表面样貌进行了分析。利用孔径与比