活性炭孔徑擴(kuò)大提高染料吸附量，為了克服傳統(tǒng)活性炭材料的窄孔徑分布的局限性并實(shí)現(xiàn)對(duì)大分子吸附的廣泛適應(yīng)性，我們?cè)诖碎_(kāi)發(fā)了一種新型的活性炭，其具有擴(kuò)大的孔徑分布，用于高速和高容量水溶液。染料分子(羅丹明B)吸附。這種活性炭的制備是通過(guò)原煤，以ZnCl 2和CO 2為活化劑，采用簡(jiǎn)便的一步法礦物輔助化學(xué)-物理活化策略實(shí)現(xiàn)的。該方法產(chǎn)生的活性炭具有孔徑變寬的分級(jí)孔結(jié)構(gòu)，具有高表面積和大孔體積，對(duì)羅丹明B吸附量非常高。

　　水性染料吸附試驗(yàn)

　　為了評(píng)價(jià)這款活性炭的水性大分子吸附能力，使用羅丹明B水溶液作為目標(biāo)吸附系統(tǒng)。在運(yùn)行中，將20 mg活性炭與100 mL羅丹明B水溶液混合，初始濃度為200 mg/L-1。在室溫(25℃)下，在給定的時(shí)間段(0-180分鐘)內(nèi)，在溫控混合平臺(tái)中以400rpm的攪拌速率攪拌混合物。之后，收集上清液，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(波長(zhǎng)554nm)檢測(cè)殘留羅丹明B的濃度。通過(guò)記錄上清液中羅丹明B濃度隨吸附時(shí)間的增加而獲得的吸附動(dòng)力學(xué)特征。

　　另外，為了進(jìn)一步比較制備的活性炭的吸附動(dòng)力學(xué)，在0-30分鐘內(nèi)在100W的超聲功率和40kHz的頻率下進(jìn)行時(shí)間縮短的超聲輔助吸附試驗(yàn)。使用上述類似方法分析活性炭的超聲輔助吸附動(dòng)力學(xué)特征。

　　活性炭的結(jié)構(gòu)特征

　　經(jīng)過(guò)系統(tǒng)地研究制備的活性炭的結(jié)構(gòu)信息，在此基礎(chǔ)上可以揭示孔隙度發(fā)展機(jī)制。首先，通過(guò)SEM和TEM分析確定了原煤及其衍生活性炭的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1a顯示了原煤的微觀形態(tài)，其由大量聚集的微晶組成。圖1a進(jìn)一步提出了一種緊湊的堆疊結(jié)構(gòu)，而不在所述外表面的孔。圖1b顯示了原煤的TEM圖像，顯示了類似于多層石墨的折疊層狀結(jié)構(gòu)。圖1c顯示了原煤的高分辨率TEM(HRTEM)圖像，其顯示出無(wú)定形碳性質(zhì)。圖1d-F示出了由物理活化過(guò)程中從活性炭表現(xiàn)出類似于原煤的聚集板結(jié)構(gòu)中獲得的活性炭樣品的微觀結(jié)構(gòu)信息。圖1e所示的活性炭的TEM圖像表明，在升溫化學(xué)-物理活化處理后，原煤的良好折疊的層狀結(jié)構(gòu)膨脹和雜亂，主要是由于活化的介入和蝕刻效應(yīng)。活性炭的HRTEM圖像如圖1f所示進(jìn)一步證明了相對(duì)于原煤的致密無(wú)定形碳骨架，具有小孔分布的擴(kuò)展碳結(jié)構(gòu)。為了比較，通過(guò)單獨(dú)的化學(xué)活化或CO 2物理活化獲得的化學(xué)活性炭和物理活性炭樣品也表征為如圖1g-i(化學(xué))和圖1j-l(物理)中所示。它表現(xiàn)出不同程度的結(jié)構(gòu)膨脹和孔隙發(fā)展。具體地，化學(xué)活化的活性炭顯示出比物理活化的活性炭更低的結(jié)構(gòu)膨脹度。從圖1j和圖l中可以看出，化學(xué)活性炭在外表面上顯示出明顯的孔(圖1j)，在HRTEM圖像中顯示出孔徑(圖1l)遠(yuǎn)大于物理活性炭。因此，可以得出結(jié)論，活化方法對(duì)煤的碳結(jié)構(gòu)演化具有重要影響。

　　圖1、原煤的SEM和TEM圖像以及通過(guò)各種活化程序得到的衍生活性炭。原煤的SEM(a)，TEM(b)和HRTEM(c)圖像，SEM(d)，TEM(e)和HRTEM(f)活性炭圖像，SEM(g)，TEM(h)和HRTEM(i)化學(xué)活性炭的圖像;SEM(j)，TEM(k)和HRTEM(1)物理活性炭圖像。

　　活性炭的RhB吸附動(dòng)力學(xué)

　　為了進(jìn)一步研究孔結(jié)構(gòu)對(duì)水性大分子吸附能力的影響，評(píng)價(jià)了制備的具有各種孔結(jié)構(gòu)的活性炭(例如微孔碳和分級(jí)多孔碳)的羅丹明B(RhB)吸附動(dòng)力學(xué)。圖2a顯示了4小時(shí)內(nèi)各種活性炭的吸附容量隨時(shí)間的變化，吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程可以分解為兩個(gè)階段：(1)活性炭上吸收的RhB(q t)的量迅速增加吸附時(shí)間從0增加到120分鐘;(2)120分鐘后，吸收的RhB量(q t)在活性炭上達(dá)到幾乎恒定的值，表明吸附平衡。快速的初始吸附速率是由于活性炭的高表面積和活性位點(diǎn)，并且緩慢增加的吸附能力是由于吸附表面的飽和直到在240分鐘達(dá)到平衡。此外，可以發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試的活性炭中，活性炭顯示出比其他樣品高得多的初始吸附率。吸附飽和后，活性炭的最大吸附容量達(dá)到880.1mg/g-1。

　　圖2、吸附動(dòng)力學(xué)結(jié)果。(a)吸附能力隨時(shí)間的變化;(b)典型樣品的BET表面積的標(biāo)準(zhǔn)化吸附容量;(c)活性炭的偽一階動(dòng)力學(xué)擬合;(d)活性炭的偽二階動(dòng)力學(xué)擬合。

　　由于縮短吸附時(shí)間對(duì)于經(jīng)濟(jì)有效的工業(yè)操作具有重要意義，我們進(jìn)一步采用超聲輔助策略來(lái)加速RhB吸附并縮短制備的活性炭的飽和時(shí)間，這對(duì)制備的活性炭的孔結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響。超聲輔助下的吸附時(shí)間固定為30分鐘。圖3a顯示了在30分活性炭和微孔活性炭作為時(shí)間函數(shù)的吸附容量，活性炭從中獲得高達(dá)839 mg/g-1的高RhB吸附容量。在30分鐘內(nèi)(飽和容量的99%)，而微孔活性炭可以獲得67%的飽和吸附容量(345 mg/g-1))，進(jìn)一步證明了分級(jí)多孔活性炭相對(duì)于微孔活性炭的吸附動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)。圖3b進(jìn)一步說(shuō)明了這兩種樣品隨時(shí)間的上清液的顏色變化，其生動(dòng)地證明了活性炭相對(duì)于微孔活性炭的高速吸附能力。

　　圖3、(a)多孔活性炭和微孔活性炭在超聲輔助吸附試驗(yàn)下作為時(shí)間函數(shù)的吸附容量;(b)兩種活性炭隨時(shí)間的上清液的顯色過(guò)程。

　　總之，這項(xiàng)工作展示了一種簡(jiǎn)便的一步法礦物輔助化學(xué)-物理活化策略，以擴(kuò)大原煤中活性炭的孔徑分布，追求高速和高容量染料分子(羅丹明B)吸附。在一步升溫過(guò)程中，低溫ZnCl 2活化產(chǎn)生微孔并且升高溫度誘導(dǎo)在CO 2和煤結(jié)構(gòu)之間的礦物催化蝕刻反應(yīng)下形成孔徑變寬的中孔。結(jié)果，獲得的活性炭具有孔徑變寬的分級(jí)孔結(jié)構(gòu)，具有高表面積和大孔體積。這種良好的孔結(jié)構(gòu)賦予羅丹明B的飽和吸附能力達(dá)880 mg/g-1。超聲輔助吸附試驗(yàn)進(jìn)一步證明了活性炭的高速吸附能力，羅丹明B吸附容量在30分鐘內(nèi)達(dá)到839 mg/g-1(飽和容量的96%)，而單獨(dú)使用ZnCl獲得的微孔活性炭活化可以達(dá)到375 mg/g-1的容量。