活性炭磁性聚乙烯醇復(fù)合凝膠

　　活性炭已被廣泛用于吸附水中的污染物。然而，吸附后的活性炭很難回收再利用。近年來，磁性吸附劑已成為新一代凈水吸附劑，因為它們可以很容易地通過外部磁場與水分離。雖然用磁性納米粒子改性活性炭以形成磁性活性炭吸附劑是常用方法。但是磁性活性炭制備過程比較繁瑣，難以實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。另一方面，磁性納米粒子容易從活性炭表面脫落，導(dǎo)致活性炭的磁性下降。所以需要研究一種更好的方法來結(jié)合交流和磁性材料的特性。

　　新型活性炭磁性吸附劑的制造

　　通過將聚乙烯醇、活性炭和鐵離子的水性混合物滴加到氨溶液中來制備磁性聚(乙烯醇)/活性炭復(fù)合凝膠(圖1)。首先，在聚乙烯醇的穩(wěn)定作用下，鐵離子可以與氨溶液反應(yīng)形成磁性Fe3O4納米粒子。同時，F(xiàn)e3O4納米粒子可以作為物理交聯(lián)劑使聚乙烯醇大分子凝膠化。在交聯(lián)過程中，活性炭被加入到磁性凝膠中。冷凍干燥后，研究了使用活性炭作為磁性吸附劑吸附去除陽離子亞甲基藍(lán)和陰離子甲基橙染料。

　　圖1：(a)磁性聚乙烯醇/活性炭復(fù)合凝膠制備示意圖。(b)亞甲基藍(lán)和(c)甲基橙的水溶液在(左)和(右)被活性炭磁性吸附劑吸附之前和之后(右)的照片。

　　制成的新型吸附劑表征

　　用于制造活性炭磁性聚乙烯醇的反應(yīng)基于磁性Fe3O4納米顆粒的同時形成、聚乙烯醇大分子的交聯(lián)和活性炭的摻入(圖1)。在將幾種材料混合物滴加到氨溶液中后，立即形成黑色活性炭珠。大小在1.5-3.0毫米的范圍內(nèi)(圖2a)。通過SEM觀察冷凍干燥的活性炭的形態(tài)。如圖2所示b,c，磁性活性炭的表面形貌與活性炭相似，表明活性炭的微觀結(jié)構(gòu)在反應(yīng)過程中得到了很好的保留。在活性炭樣品中可以看到明顯的多孔微結(jié)構(gòu)。預(yù)計這些孔在吸附過程中促進染料分子的傳輸。此外，在活性炭的EDX譜中可以觀察到明顯的Fe元素信號(圖2d)，這與預(yù)期的新型活性炭組成一致。

　　圖2：(a)磁性活性炭珠的照片。(b)活性炭的SEM圖像。(c)SEM圖像和(d)磁性活性炭珠樣品的EDX光譜。

　　磁性活性炭的吸附性能

　　首先，研究了活性炭含量對磁性吸附劑吸附能力的影響。為了比較，活性炭的吸附容量也在相同條件下確定。在較高的初始染料濃度(5.0mM)下，磁性活性炭對MB和MO的飽和吸附能力明顯增加，隨著活性炭含量的增加。但是對于實際的吸附應(yīng)用，非常需要具有良好可重復(fù)使用性的吸附劑。我們通過使用乙醇作為洗脫劑來評估吸附MB的磁性活性炭的可重復(fù)使用性。如圖3a所示，解吸的磁性活性炭的去除效率隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加而降低。與原來的去除效率相比，經(jīng)過5個解吸-吸附循環(huán)后，去除效率保持在72.1%左右。盡管如此，再生的活性炭的吸附能力仍然比較高，高于傳統(tǒng)的磁性吸附劑。此外，即使經(jīng)過5次再生吸附循環(huán)后，磁性活性炭仍表現(xiàn)出與新制備的相似的飽和磁化強度值(圖3b)，表明這次的新型吸附劑具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

　　圖3：(a)活性炭磁性復(fù)合凝膠吸附劑在五個連續(xù)的解吸-吸附循環(huán)中的去除效率。(b)吸附劑重復(fù)使用5次后的磁化曲線。

　　活性炭磁性聚乙烯醇復(fù)合凝膠，是一種基于同時形成磁性聚乙烯醇凝膠和摻入活性炭的一種新型吸附材料。由于其多孔的微觀結(jié)構(gòu)和良好的磁性，磁性活性炭表現(xiàn)出良好的吸附性能和良好的磁分離能力，可吸附去除水中的MB和MO染料。吸附數(shù)據(jù)與準(zhǔn)二級動力學(xué)和Langmuir等溫線模型非常吻合。與活性炭吸附劑和磁性凝膠吸附劑相比，本研究突出了活性炭和磁性凝膠的綜合優(yōu)點，從而為制備適用于實際去除廢水中染料污染物的磁性吸附劑提供了一種比較好的方法。

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