通过微波预热解法制备对Cu(II)具有更高氮/氧螯合吸附能力的生物质基介孔碳

摘要

本文介绍了一种通过化学活化并在不同热解模式下进行后续改性，从生物质合成氮/氧双掺杂介孔碳的实验方案。我们证明，微波热解有利于后续的改性过程，可在碳材料上同时引入更多的氮和氧官能团。

摘要

提出了一种环境友好的技术，用于合成具有高氮/氧螯合吸附能力的生物质基介孔活性炭，以吸附 Cu(II)。该方法以磷酸浸渍的甘蔗渣作为前驱体，采用两种不同的加热方式对前驱体进行热解：微波热解和常规电加热热解。所得的甘蔗渣基碳材料经过硝化和还原改性处理，在活性炭表面同时引入了氮（N）/氧（O）官能团，通过络合与离子交换作用增强其对 Cu(II) 的吸附能力。通过表征分析和铜吸附实验，研究了四种制备碳样品的理化性质，并确定哪种加热方式更有利于后续引入 N/O 官能团的改性过程。本技术结合氮气吸附数据、傅里叶变换红外光谱以及批量吸附实验结果表明，微波热解所得碳材料具有更多的缺陷位点，因此尽管其比表面积较低，但高效节能的微波热解过程能向碳结构中引入更多的 N/O 含量。该技术为制备高氮氧含量、高重金属离子吸附能力的吸附剂提供了一条有前景的途径，适用于废水修复领域。

引言

活性炭具有独特的吸附特性，例如发达的多孔结构、高比表面积以及多种表面官能团；因此，它被用作水处理或净化过程中的吸附剂^1,2,3,4。除了物理优势外，活性炭成本低廉且对环境无害，其原料（例如，生物质）来源丰富且易于获取^5,6。活性炭的理化性质取决于制备过程中所使用的前驱体以及活化工艺的实验条件⁷。

制备活性炭通常采用两种方法：一步法和两步法⁸。所谓一步法，是指前驱体同时进行碳化和活化；而两步法则是指碳化与活化依次进行。从节能与环保的角度考虑，一步法因其对温度和压力的要求较低而更受青睐。

此外，化学活化和物理活化被用于改善活性炭的结构特性。相较于物理活化，化学活化具有明显优势，包括活化温度较低、活化时间较短、碳产率较高，以及在一定程度上孔隙结构更发达且更可控⁹。研究表明，化学活化可通过将用作原料的....

方案

1. 蔗渣基活性炭的制备

1. 制备蔗渣基活性炭的前驱体
   1. 用去离子水冲洗蔗渣（购自中国江苏省某农场），并将样品置于100 °C的干燥烘箱中干燥10小时。
   2. 使用研磨机将干燥后的蔗渣粉碎，并通过50目筛网筛分粉末。
   3. 将30 g细蔗渣粉末与15 wt%的磷酸（H₃PO₄）溶液按1:1的质量比混合，浸泡24小时。将混合物在105 °C的烘箱中干燥6小时。收集所得产物作为蔗渣基活性炭（BAC）的前驱体。
2. 前驱体的传统电加热热解
   1. 将15 g前驱体放入石英舟中，然后将石英舟置入管式电炉的石英玻璃管内。
   2. 将炉子的升温速率设定为5 °C min^-1，以对样品进行碳化。当温度达到500 °C时，恒温保持90分钟，随后在氮气氛围中冷却至室温。整个过程中使用转子流量计确保氮气流速为80 mL min^-1。
   3. 研磨并收集电炉热解所得的蔗渣基活性炭（EBAC）于烧杯中，然后在真空干燥箱中105 °C下加热24小时。
3. 前驱体的微波热解
   1. 将15 g前驱体放入微波炉（频率为2.45 GHz）中。
   ....

结果

四种样品的氮气吸附/脱附等温线如图1所示。所有吸附等温线在低P/P₀区域均表现出快速上升的趋势，这些等温线属于IUPAC分类中的IV型，表明其孔隙结构由微孔和占主导地位的介孔组成³²。

由氮气吸附等温线测得的所有样品的表面物理参数如表1所示。微波热解和改性均使其比表面积（Brunauer-Emmett-Teller，BET）和总孔体积减小，从而改变了样品的物理形貌。

四种样品的傅里叶变换红外（FTIR）光谱如图2所示。MBAC在1167 cm^-1 [碳（C）-O伸缩振动]、1620 cm

讨论

在本实验方案中，一个关键步骤是通过一步法成功制备具有更优理化性质的介孔碳材料，其中需要确定最佳的实验条件。因此，在之前的研究中²⁸，我们开展了正交阵列微波热解实验，考察了甘蔗渣与磷酸的浸渍比、热解时间、微波炉功率以及干燥时间的影响。此外，在繁琐的Cu(II)吸附实验中必须格外谨慎，尤其是在调节溶液pH值时，因为pH值对活性炭去除Cu(II)的效果具有显著影响（图3）。必须对已知初始浓度的CuSO₄溶液实际铜浓度进行测定，并将该测定值作为公式(1)中的C₀使用。

通过化学活化法可获得比表面积更大、孔体积更高的生物质基活性炭。然而，在后续的热解和改性过程中，比表面积和总孔体积均有所下降，这可能是由于孔隙结构发生坍塌和堵塞所致²⁷，从而导致吸附能力降低。因此，仍需进一步研究，以制备兼具高比表面积和丰富官能团的生物质基介孔碳材料。

微波热.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
所有化学品和试剂（磷酸等）	Nanjing Chemical Reagent Co., Ltd		分析纯
电炉	洛阳博莱美特实验电炉有限公司
微波炉	南京宇电自动化科技有限公司		2.45 GHz 频率
比表面积与孔径分析仪	北京金埃谱科技有限公司		Vc-Sorb 2800TP
傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪	Nicolet		6700
火焰原子吸收分光光度法	北京普析通用仪器有限责任公司		A3
元素分析仪	德国 Heraeus 公司		CHN-O-RAPID