全 文 ：　 总第１６２期 山　西　化　工 Ｔｏｔａｌ　１６２
２０１６年第２期 ＳＨＡＮＸＩ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　 Ｎｏ．２，２０１６
收稿日期：２０１６－０２－２０
基金项目：山西省中北大学大学生创新创业训练项目（１５０８３２１２１２）
国际科技合作计划资助项目（２０１１ＤＦＡ５１９８０）；山西省国际科技合
作计划资助项目（２０１５０８１０４３）；山西省科技攻关及青年基金资助项
目（２０１３０３２１０２２－０２，２０１３０２１０１２－３，２０１４０３１３００２－４）
作者简介：李倩文，女，１９９４年出生，中北大学在读本科生。
　 科研与开发 ＤＯＩ：１０．１６５２５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ１４－１１０９／ｔｑ．２０１６．０２．０９
松塔基功能炭材料的制备以及对锌离子
的吸附性能研究
李倩文，　刘丽艳，　曹俊岩，　马丽春
（中北大学理学院化学系，山西　太原　０３００５１）
摘要：活性炭是一种优良的吸附剂，具有高比表面积、大孔容、高吸附容量等特性。以松塔基为原料，采
用不同的活化炭化条件制得一系列活性炭材料，并采用静态法研究了所制备的各种炭材料对锌离子的
吸附性，并选出吸附最好的活性炭采用单一变量法对其进行了吸附锌离子的最优条件的探究。结果表
明，由松塔制备的活性炭具有较高使用价值，对Ｚｎ２＋吸附效果最佳的ＡＣ－４００－３，吸附量达到４２．９５ｍｇ／ｇ；
吸附容量随温度升高而增大，ｐＨ值对吸附过程有很大的影响，ｐＨ＝６～７时吸附容量最高；经过测试，
材料具有优良的重复使用性能。
关键词：松塔；炭材料；吸附；锌离子；最佳吸附条件
中图分类号：ＴＢ３４　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００４－７０５０（２０１６）０２－００２９－０３
引　言
锌是生命的支柱元素之一，但是过量的锌会对
人类及动、植物带来危害［１］。处理重金属离子的方
法有很多，常采用吸附法、化学沉淀法、电渗析以及
超滤等。综合看来，吸附法是目前使用最多、效果较
好的一种方法。吸附法是利用一些具有较大比表面
积和表面能的材料，如炭材料、沸石、硅藻土等，对水
体中的重金属污染物进行吸附和去除［２－３］。
活性炭是一种重要的优良吸附剂，其内部具有
发达的空隙结构、巨大的比表面积和丰富的表面官
能团，被广泛应用于重金属离子的分离、富集及环境
保护等方面［４－８］。我国松塔资源丰富、原料易得，且
经济环保无污染，因其有丰富的表面官能团并且耐
高温［９］，本文以松塔为原料制备活性炭，并采用静态
法研究此活性炭对锌离子的吸附效果。最后，选出
吸附效果最好的活性炭，用单一变量法研究其吸附
锌离子的最佳条件。
１　实验部分
１．１　炭材料制备
以松塔为原材料，用热的蒸馏水对其进行浸泡
和洗涤，如此反复进行３次～５次，以确保松塔洗
净。然后，将洗净的松塔放在真空烘箱中进行干燥，
最后对其进行粉碎等处理。
用ＫＯＨ作为活化剂对粉碎的松塔进行预处
理，ＫＯＨ固体与松塔颗粒以质量比为０∶１、１∶１、
２∶１、３∶１的比例加入，然后再分别加入２０ｍＬ蒸
馏水并在室温下浸泡２４ｈ，过滤、烘干。然后，将一
定量的松塔材料置于炭化炉中，分别用４００ ℃、
５００℃、６００℃、７００℃４个炭化温度对４种比例的
松塔进行炭化处理。炭化过程中，通入一定量的氮
气进行保护，从室温以２℃／ｍｉｎ的速率升温，升至
炭化温度后保温２ｈ。最终可得到１６种炭化材料。
从炭化炉中取出炭化后的炭材料，用去离子水
洗涤并真空抽滤，直到滤液ｐＨ＝７。之后，将活性
炭放在真空烘箱内烘干。最后，将干燥后的活性炭
研成粉末，做好标记，以进行下一步实验。
１．２　炭材料对Ｚｎ２＋吸附性能研究
１．２．１　吸附动力学曲线的绘制
移液管移取２５ｍＬ质量浓度为１００ｍｇ／Ｌ的
Ｚｎ２＋溶液，置于多个具塞锥形瓶中，分别加入约
０．０１ｇ活性炭材料，在２５℃恒温振荡器中恒温振
荡。测定不同吸附时间（１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０ｈ）
吸附后滤液中Ｚｎ２＋的浓度，绘制曲线。
１．２．２　吸附条件的优化
１．２．２．１　吸附温度
移液管移取２５ｍＬ浓度为１００ｍｇ／Ｌ的Ｚｎ２＋
溶液，置于若干个具塞锥形瓶中，分别加入约０．０１ｇ
的炭材料，然后在２０℃、２５℃、３０℃、３５℃、４０℃
温度下恒温振荡３ｈ，使吸附达平衡，绘制曲线。
１．２．２．２　ｐＨ值
分别移取２５ｍＬ不同浓度梯度的硫酸锌溶液
置于若干个玻璃锥形瓶中，用盐酸调节ｐＨ值为１、
２、３、４、５、６，分别加入０．０１ｇ的活性炭材料，然后在
４０℃的恒温振荡箱中振荡３ｈ，使吸附达到平衡，并
绘制吸附曲线。
１．２．３　重复使用性能测试
先将炭材料吸附Ｚｎ２＋饱和，然后放入３ｍｏｌ／Ｌ
的盐酸溶液中于２５℃下恒温振荡一定时间，过滤，
重复洗涤多次，直到洗脱液中检测不出Ｚｎ２＋，完成
解吸过程。循环重复此实验过程，测试材料的重复
使用性能。
２　结果与讨论
２．１　不同炭化温度下吸附性能最佳活性炭材料
对松塔材料用不同浓度的 ＫＯＨ 进行活化，并
进行高温炭化，成功制备了一系列活性炭材料。松
塔炭材料保留了一定数目的胺基官能团。随着碱用
量的不断增多，胺基逐渐减少，孔道数目逐渐增加；
随着温度的升高，比表面积逐渐变大，但材料表面的
官能团受到了破坏。因此，通过实验得出一系列在
不同炭化温度下吸附效果最好的松塔炭材料，分别
为ＡＣ－４００－３、ＡＣ－５００－２、ＡＣ－６００－１与ＡＣ－７００－３。
２．２　吸附动力学曲线
每个炭化温度下对Ｚｎ２＋吸附最好的炭材料样
品，对它们绘制其动力学吸附曲线，如图１。
由图１可知，活性炭材料对锌离子的吸附速率
较快，在３ｈ时吸附基本达到平衡。同时可得出，
ＡＣ－４００－３对Ｚｎ２＋的吸附效果最好，经计算后吸附
0 1 2 3 4 5
■
50
40
30
20
10
0
Q
/%m
g·
g-
1
AC-400-3
AC-700-3
AC-600-3
AC-500-3
▲
▲
●
●●
●●
●
▲▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
■
■■■
■
time%/%h
■
▲
▲
●
注：ｐＨ＝６．６，Ｔ＝２５℃，Ｃ０＝３４．２３ｍｇ／Ｌ
图１　４个炭化温度下最优炭材料吸附Ｚｎ２＋的动力学曲线
量为４２．９５ｍｇ／ｇ。
２．３　吸附条件对松塔活性炭吸附性能的影响
２．３．１　温度对松塔活性炭吸附性能的影响
ＡＣ－４００－３对Ｚｎ２＋在不同温度下的吸附等温线
如图２所示。
0 20 40 60 80 100
■
100
90
80
70
60
50
40
30
Q
/%m
g·
g-
1
40%℃
40%℃
40%℃
25%℃
20%℃
▲
▲
●
●
●
●
●
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
■
■
■
■
Ce%/%mg·L-1
■
▲
▲
●
◆
◆
◆
◆
◆
◆
注：ｐＨ＝６．６
图２　不同温度下ＡＣ－４００－３对Ｚｎ２＋的吸附等温线
在本实验条件下，ＡＣ－４００－３对Ｚｎ２＋ 的最优吸
附温度为４０℃，且 ＡＣ－４００－３对Ｚｎ２＋ 的吸附量随
Ｚｎ２＋浓度的增加而明显增大。这说明ＡＣ－４００－３对
Ｚｎ２＋的吸附是一个吸热过程，温度升高有利于吸附
进行。
２．３．２　ｐＨ对松塔活性炭吸附性能的影响
图３为不同ｐＨ下ＡＣ－４００－３对Ｚｎ２＋的吸附等
温线。
0 20 40 60 80 140
■
100
80
60
40
20
0
Q
/%m
g·
g-
1
pH=4
▲
▲
●
●●●
●
▲▲ ▲
▲
▲
▲
▲
▲
■■
■■
Ce%/%mg·L-1
◆
◆
◆
◆
◆
100 120
▲
▲
▲
▲
▲
pH=6.6
pH=5
pH=3
pH=2
pH=1
注：Ｔ＝４０℃
图３　不同ｐＨ下ＡＣ－４００－３对Ｚｎ２＋的吸附等温线
由图３可知，随着溶液ｐＨ值的增大，吸附量明
显增加，在溶液ｐＨ＝６．６０时吸附最好。
·０３·
山　西　化　工 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
ｓｘｈｘｇｙ＠１６３．ｃｏｍ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　第３６卷　
２．４　重复使用性能测试结果
图４为ＡＣ－４００－３经过多次吸附、脱附后的循环
使用图。
1
40
30
20
10
0
Q
/%m
g·
g-
1
使用次数 /次
2 3 4 5 6 7 8 9 10
图４　ＡＣ－４００－３循环使用图
由图４可知，随着使用次数的增加，吸附容量逐
渐降低，最后趋于稳定，说明 ＡＣ－４００－３具有良好的
重复使用性能。
３　结论
以松塔基为生物质原料可以制备出实用的活性
炭材料。在制备出的一系列活性炭中，经过实验探
究，最终选出吸附效果最优的 ＡＣ－４００－３来进行其
对Ｚｎ２＋吸附的最优条件探究。
ＡＣ－４００－３吸附Ｚｎ２＋ 的吸附最佳条件为：吸附
平衡时间大约３ｈ；对１００ｍｇ／Ｌ　Ｚｎ２＋溶液的吸附量
可达到４２．９５ｍｇ／ｇ；吸附温度越高吸附效果越好；
酸度越高越不利于吸附，溶液ｐＨ＝６．６０时 ＡＣ－
４００－３对Ｚｎ２＋的吸附效果最好。并且 ＡＣ－４００－３重
复使用效果也比较理想，说明 ＡＣ－４００－３是一种优
良的吸附材料。
参考文献：
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ｃａｄｍｉｕｍ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｗｉｔｈ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｂｙ　ｅｌｅｃｔｒｏ－
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ｏｆ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｇａｓ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０１０，１９（３）：２６７－２７９．
［９］　Ｓｈｅｎ　Ｗ　Ｄ，Ｈｅ　Ｙ，Ｚｈａｎｇ　Ｓ　Ｃ，ｅｔ　ａｌ．Ｙｅａｓｔ－ｂａｓｅｄ　ｍｉｃｒｏ－
ｐｏｒｏｕｓ　ｃａｒｂｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｆｏｒ　ｃａｒｂｏｎ　ｄｉｏｘｉｄｅ　ｃａｐｔｕｒｅ［Ｊ］．
Ｃｈｅｍ　Ｓｕｓ　Ｃｈｅｍ，２０１２（５）：１２７４－１２７９．
Ｔｈｅ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｃａｒｂｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｂａｓｅｄ　ｐｉｎｅ
ｃｏｎｅ　ａｎｄ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｔｏｗａｒｄｓ　ｚｉｎｃ　ｉｏｎ
ＬＩ　Ｑｉａｎｗｅｎ，ＬＩＵ　Ｌｉｙａｎ，ＣＡＯ　Ｊｕｎｙａｎ，ＭＡ　Ｌｉｃｈｕｎ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｃｏｌｅｇｅ　ｏｆ　ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｓｈａｎｘｉ　Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｉｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ａｄｓｏｒｂｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｖｉｎｇ　ａ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｒｅａ，ｐｏｒｅ　ｖｏｌｕｍｅ，ｈｉｇｈ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｃａｐａｃｉ－
ｔｙ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃａｒｂｏｎｉ－
ｚａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｕｓｉｎｇ　ｂｉｏ－ｂａｓｅｄ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｐｉｎｅ　ｃｏｎｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒａｗ　ｍａｔｅｒｉａｌ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ
ｃａｒｂｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｔｏｗａｒｄｓ　ｚｉｎｃ　ｉｏｎ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｎ　ｃｈｏｓｅｎ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｏｎｅ，ａｎｄ　ｅｘｐｌｏｒｅｄ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｚｉｎｃ　ｉｏｎｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅｓｉｍｐｌｅ　ｖａｒｉａｂｌｅｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ＡＣ－
４００－３ｔｏｗａｒｄｓ　Ｚｎ２＋ｉｓ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｉｓ　４２．９５ｍｇ／ｇ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ
ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐＨ　ｖａｌｕｅ　ｈａｓ　ａ　ｇｒｅａｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐＨ　ｉｓ　６～７，ｔｈｅ
ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｉｓ　ｈｉｇｈｅｓｔ．Ｉｎ　ａｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｈａｓ　ｅｘｃｅｌｅｎｔ　ｒｅｕｓｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ａｆｔｅｒ　ｂｅｉｎｇ　ｔｅｓｔｅｄ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｉｎｅ　ｃｏｎｅ；ｃａｒｂｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ；ｚｉｎｃ　ｉｏｎ；ｏｐｔｉｍａｌ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
·１３·　２０１６年第２期　　　　　　李倩文，等：松塔基功能炭材料的制备以及对锌离子的吸附性能研究