活性炭磁性聚乙烯醇复合凝胶

　　活性炭已被广泛用于吸附水中的污染物。然而，吸附后的活性炭很难回收再利用。近年来，磁性吸附剂已成为新一代净水吸附剂，因为它们可以很容易地通过外部磁场与水分离。虽然用磁性纳米粒子改性活性炭以形成磁性活性炭吸附剂是常用方法。但是磁性活性炭制备过程比较繁琐，难以实现规模化生产。另一方面，磁性纳米粒子容易从活性炭表面脱落，导致活性炭的磁性下降。所以需要研究一种更好的方法来结合交流和磁性材料的特性。

　　新型活性炭磁性吸附剂的制造

　　通过将聚乙烯醇、活性炭和铁离子的水性混合物滴加到氨溶液中来制备磁性聚(乙烯醇)/活性炭复合凝胶(图1)。首先，在聚乙烯醇的稳定作用下，铁离子可以与氨溶液反应形成磁性Fe3O4纳米粒子。同时，Fe3O4纳米粒子可以作为物理交联剂使聚乙烯醇大分子凝胶化。在交联过程中，活性炭被加入到磁性凝胶中。冷冻干燥后，研究了使用活性炭作为磁性吸附剂吸附去除阳离子亚甲基蓝和阴离子甲基橙染料。

　　图1：(a)磁性聚乙烯醇/活性炭复合凝胶制备示意图。(b)亚甲基蓝和(c)甲基橙的水溶液在(左)和(右)被活性炭磁性吸附剂吸附之前和之后(右)的照片。

　　制成的新型吸附剂表征

　　用于制造活性炭磁性聚乙烯醇的反应基于磁性Fe3O4纳米颗粒的同时形成、聚乙烯醇大分子的交联和活性炭的掺入(图1)。在将几种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毫米的范围内(图2a)。通过SEM观察冷冻干燥的活性炭的形态。如图2所示b,c，磁性活性炭的表面形貌与活性炭相似，表明活性炭的微观结构在反应过程中得到了很好的保留。在活性炭样品中可以看到明显的多孔微结构。预计这些孔在吸附过程中促进染料分子的传输。此外，在活性炭的EDX谱中可以观察到明显的Fe元素信号(图2d)，这与预期的新型活性炭组成一致。

　　图2：(a)磁性活性炭珠的照片。(b)活性炭的SEM图像。(c)SEM图像和(d)磁性活性炭珠样品的EDX光谱。

　　磁性活性炭的吸附性能

　　首先，研究了活性炭含量对磁性吸附剂吸附能力的影响。为了比较，活性炭的吸附容量也在相同条件下确定。在较高的初始染料浓度(5.0mM)下，磁性活性炭对MB和MO的饱和吸附能力明显增加，随着活性炭含量的增加。但是对于实际的吸附应用，非常需要具有良好可重复使用性的吸附剂。我们通过使用乙醇作为洗脱剂来评估吸附MB的磁性活性炭的可重复使用性。如图3a所示，解吸的磁性活性炭的去除效率随着重复使用次数的增加而降低。与原来的去除效率相比，经过5个解吸-吸附循环后，去除效率保持在72.1%左右。尽管如此，再生的活性炭的吸附能力仍然比较高，高于传统的磁性吸附剂。此外，即使经过5次再生吸附循环后，磁性活性炭仍表现出与新制备的相似的饱和磁化强度值(图3b)，表明这次的新型吸附剂具有良好的结构稳定性。

　　图3：(a)活性炭磁性复合凝胶吸附剂在五个连续的解吸-吸附循环中的去除效率。(b)吸附剂重复使用5次后的磁化曲线。

　　活性炭磁性聚乙烯醇复合凝胶，是一种基于同时形成磁性聚乙烯醇凝胶和掺入活性炭的一种新型吸附材料。由于其多孔的微观结构和良好的磁性，磁性活性炭表现出良好的吸附性能和良好的磁分离能力，可吸附去除水中的MB和MO染料。吸附数据与准二级动力学和Langmuir等温线模型非常吻合。与活性炭吸附剂和磁性凝胶吸附剂相比，本研究突出了活性炭和磁性凝胶的综合优点，从而为制备适用于实际去除废水中染料污染物的磁性吸附剂提供了一种比较好的方法。