1 简介

最近，通过碳化和活化纤维原料1-3制备的活性炭纤维已被用作环境修复的新材料。活性炭纤维由于成本低，孔隙结构可调，化学稳定性好，纸张加工形式多，可广泛用作制药，食品，化工等各种领域的脱色剂，除臭剂，溶剂回收剂和催化剂载体。 ，布，毛毡，等4根据所述原料，活性碳纤维可以从沥青，酚醛树脂，合成聚合物（其制备如聚乙烯醇，聚丙烯腈，聚酰亚胺，等等。），木质素和天然植物纤维（如大麻，亚麻，椰子等）。5-7关于制备方法，活性炭纤维可以通过物理活化获得（纤维材料中的无序碳原子通过氧气，二氧化碳和水蒸气作为活化剂8-10的蚀刻作用被氧化形成孔），化学品活化（孔结构是通过碳原子与磷酸，氢氧化钾，氯化锌或硫酸铵11-13之间的化学反应形成的）和物理 - 化学复合物活化过程（物理和化学活化方法相结合，以实现孔隙结构调节和主要成本操纵方面的互补性14）。

随着对环境污染和能源危机的日益关注，活性炭纤维原料逐渐从石油资源转向生物质基材料。15,16生物质因其丰富，环保，低成本和良好的可再生性而成为活性炭纤维制备的有前途的原料。此外，使用生物质作为原料还提供了调整活性碳纤维的孔结构的简便途径。17-19椰子纤维是从椰子壳中提取的天然丝状物质，由于其丰富，无毒的性质和良好的机械性能，可用作绳索，刷子，垫子，床垫和纤维过滤器。20-22尽管有许多科学，技术和经济效益，但遗憾的是椰子纤维在发展中国家几乎没有使用。仅使用一小部分椰子纤维，其中大部分被丢弃或作为燃料燃烧。23,24每年都有大量的椰子纤维作为废物丢弃，造成了严重的资源浪费。因此，如果将椰子纤维及其产品废物转移到活性炭纤维中，则可以大大提高这些材料的附加值。

在这项研究中，使用椰子纤维作为前体通过高温碳化和KOH活化过程制备了具有高微孔体积和大比表面积的高性能活性炭纤维。通过扫描电子显微镜（SEM），XPS，N 2吸附 - 解吸等温线和热重分析表征所制备的活性炭纤维。进一步研究了活性炭纤维对各种染料的吸附性能，包括亚甲基蓝，刚果红和中性红。研究了染料污染物初始浓度，溶液pH值和接触时间对吸附性能的影响。

2 实验部分

2.1 材料和试剂

椰子纤维由中国上海的赵国净化设备有限公司提供。其他化学试剂为分析级，无需进一步纯化即可直接使用。

2.2 椰子纤维制备活性炭纤维

椰子纤维的碳化首先在600℃下使用箱式电阻炉进行。将样品置于填充有其他活性炭的带盖陶瓷坩埚中以形成无氧环境。在此，将10g碳化椰子树与20g KOH乙醇溶液混合。使用加热 - 磁力混合器加热并搅拌混合物直至乙醇完全蒸发。将干燥的混合物置于真空管式炉中并在氮气保护环境中在900℃下加热150分钟。将得到的粗产物浸泡并用蒸馏水冲洗数次，然后干燥，得到椰子纤维基活性炭纤维。

2.3 结构表征

通过荷兰FEI公司的Quanta 200扫描电子显微镜（SEM）观察活性碳纤维的微观结构和化学组成。通过来自Thermo fisher Scientific 的K-Alpha + X射线光电子能谱（XPS）观察制备的样品的元素化学状态。在不同的放大倍数下观察和分析活化前后活性炭的外表面形态和缺陷。N 2使用JW-BK100A比表面积和孔径分析仪（Beijing JWGB SCI＆Tech Co.Ltd）在77K下记录吸附 - 解吸等温线。在分析之前，将活性碳纤维在300℃下真空干燥160分钟。通过Brunauer-Emmett-Teller和Langmuir方法测定样品的比表面积。通过Barrett-Joyner-Halenda方法分析中孔的分布，而通过t -plot和Horvath-Kawazoe方法分析微孔的分布。使用来自德国NETZSCH公司的STA449F3同步热分析仪记录样品的TGA分析。温度范围为25至1100℃，加热速率为10K min -1。以30mL min -1的流速吹扫高纯度氮气。使用VERTEX 70傅里叶变换红外光谱仪记录傅里叶变换红外（FTIR）光谱。将活性碳纤维和KBr混合，然后压制成片剂。FTIR分析在400-4000cm -1的波长范围内进行。

2.4 活性炭纤维吸附性能的研究

研究了三种染料溶液的吸附，即亚甲蓝，刚果红和中性红染料。通常，首先将10mg活性碳纤维加入到50mL具有不同初始浓度的染料溶液中。将混合物的pH调节至固定值。使用722G可见分光光度计监测染料浓度的变化。研究了初始染料浓度，溶液pH值和接触时间对吸附性能的影响。使用方程（1）计算吸附容量（Q e）：25Qe=（C0-Ce）×V/m（1）其中C 0（mg L -1）是染料溶液的初始浓度，C e（mg L -1）是染料溶液的残留浓度，V（L）是染料溶液的体积，m（g）是活性炭纤维的质量。使用测定吸附速率等式（2） ：d=（C ^0-C ^ë）/ç0×100％（2）

为了分析吸附动力学，应用了三种吸附动力学模型，包括伪一阶方程，伪二阶方程和颗粒内扩散方程，如公式（3） - （5）所示：26伪 -一阶方程：ln（Qe-Qt）= ln Qe-K1t（3）其中Q t是时间t（min）处的吸附容量，Q e（mg g -1）是平衡吸附容量和K 1是一阶方程的常数。伪二阶方程：t/Qt= 1 /（K2Qe2）+t/Qe（4）其中K 2是准二阶方程的常数。颗粒内扩散方程：Qt=Kpt1/2+C（5）其中K p是颗粒扩散常数的常数，C是实验常数。

3 结果与讨论

3.1 碳纤维的微观结构和化学成分

从所示的SEM图像1A图1 -a 3中，可以观察到，碳化椰子纤维呈现与条轴向排列的丝状形态，以及几个纵向凹槽和许多不规则的颗粒分布在纤维表面上。在示出的SEM图像图1b 1 -b 3揭示了活性碳纤维的表面是活化后平滑。注意到更多的孔和凹坑。由于高温热解和活化，也观察到一些轴向楔形断裂，但椰子生物炭的纵向纹理和孔隙仍然保留。可以得出结论，碳化椰子纤维上的颗粒是由热解油形成的碳物质。27在活化过程中，KOH会腐蚀表面碳物质，导致在高温下形成大量微孔和大的比表面积。28

为了分析活化碳纤维之前和之后元素组分的变化，分别分析了点I和点II的EDS光谱。图2中所示的结果表明，活化前后的碳纤维均含有不同含量的碳，氧和钾元素。碳酸椰子纤维仍保留高水平的氧和钾，因为原料本身含有这两种元素。然而，活化后两种元素的含量降低，这可能是由于活化过程中二次高温处理导致的氧气部分分解，以及洗涤过程中钾的溶解和损失。

3.2 XPS分析

通过XPS进一步分析碳化椰子纤维和活性碳纤维的化学组成，结果如图3所示。两个样品的C1s XPS光谱（图3a和b）显示出三个主峰，结合能约为289,286和285 eV，对应于O-C O，C-O和C-C 的官能团。， 分别。29对于碳化椰子纤维，O-C O，C-O和C-C的比例分别为14.5％，19.2％和66.3％。对于活性碳纤维，O-C O，C-O和C-C的比例分别为19.8％，32.7％和47.5％。显然，在KOH活化后，含氧官能团的比例急剧增加。

两个样品的O1s XPS光谱（图3c和d）也显示出三个主峰，结合能约为535,533.5和531.5 eV，对应于C-O，C O和O-C O 的官能团。， 分别。30对于碳化椰子纤维，C-O，C O和O-C O 的比例分别为10.0％，41.5％和48.5％。对于活性炭纤维，O-C O，C-O和C-C的比例分别为17.8％，46.9％和35.2％。结果还证明化学活化可导致碳材料的氧含量增加。

3.3 比表面积和孔隙特征分析

活性炭的比表面积和孔结构是决定其吸附能力的关键因素，常被用作表征活性炭吸附性能的重要指标。所制备的活性炭纤维的比表面积和孔结构参数列于表1中。活性炭纤维的氮吸附 - 解吸等温线如图4所示。HK方法中孔径分布曲线的孔体积如图5所示，介孔孔体积和粒度分布的BJH分析曲线如图6所示。从表1中可以看出活性炭纤维的比表面积为1556m 2 g -1，孔容为0.72cm 3 g -1。活性炭的比表面积较大，导致较好的吸附性能。通过对相关参数的分析，可以看出活性炭纤维的微孔表面积占总表面积的78.5％，微孔的孔体积占总孔体积的68％。也就是说，活性碳纤维的大部分表面积和孔体积归因于微孔（直径小于2nm）。结果表明，采用该方法制备的活性炭纤维具有显着的微孔，具有吸附小分子的优点。31图4示出了相对压力P / P的情节0和吸附气体量。椰子纤维和活性炭纤维的比表面积分别为20.5 m 2 g -1和1556 m 2 g -1。结果表明，与椰子纤维相比，碳化和KOH活化后活性炭纤维的比表面积显着增加。图4显示了所制备的活性炭纤维的N 2吸附 - 解吸等温线。当相对压力P / P 0小于0.04时，等温线上升非常快，而当P / P 0时在0.04-0.2之间，等温线斜率变小，没有明显的转折点和平台。值得注意的是，在0.5的相对压力下，存在微弱可见的磁滞回线。根据IUPAC的分类标准，32活性炭纤维的吸附 - 解吸等温线属于I型和IV型，表明该产品富含微孔并含有一定量的中孔。在吸附过程中，单层吸附到微孔上在较低的相对压力区域起决定性作用。在较高的相对压力区域，多层吸附发生在活性炭上，其中氮毛细管冷凝发生在中孔中，因此，中孔也在氮的吸附中起重要作用。33从微孔和中所示孔的分布曲线图5和 6，可以观察到的是，活性碳纤维的内部主要由微孔，其主要分布在0.7-1.8 nm范围内的。中孔的大小主要分布在2-9nm的范围内。

3.4 椰子纤维的热重分析

图7显示了椰子纤维的热重分析（TGA）和衍生热重分析（DTGA）曲线，温度为25至1100°C，加热速率为10 K min -1。在整个TGA和DTGA曲线中，加热热解过程可分为三个阶段，即水蒸发阶段，脱挥发分和燃烧阶段，以及分解阶段。三个阶段的细节讨论如下：（i）在第一阶段，在25-200℃的温度范围内，在TGA曲线中注意到8.7％的小重量损失，这是由于蒸发样品中的水。（ii）当温度从200℃升至360℃时，反应进入第二阶段。椰子纤维的挥发性成分蒸发掉，因此样品重量损失达到41.2％。质量损失峰位于307℃，在该温度范围内观察到最大质量变化率为-4.7％/ min。（iii）在反应的第三阶段，温度继续升高，在360-480℃的温度范围内质量损失率为47.8％。最大质量损失峰位于434℃，对应于每分钟-30.3％的质量变化率。在这个阶段有三个较小的峰值。此阶段的质量损失主要是由有机物的分解引起的，有机物占固定碳热解的很大比例。从480到1100℃，质量没有显着变化，表明固定碳的热解几乎完成。基于上述分析，当温度达到480℃时，椰子纤维中的大多数有机物被燃烧，碳化在600℃完成。因此，椰子纤维的碳化温度选择为600℃。对应于每分钟-30.3％的质量变化率。在这个阶段有三个较小的峰值。此阶段的质量损失主要是由有机物的分解引起的，有机物占固定碳热解的很大比例。从480到1100℃，质量没有显着变化，表明固定碳的热解几乎完成。基于上述分析，当温度达到480℃时，椰子纤维中的大多数有机物被燃烧，碳化在600℃完成。因此，椰子纤维的碳化温度选择为600℃。对应于每分钟-30.3％的质量变化率。在这个阶段有三个较小的峰值。此阶段的质量损失主要是由有机物的分解引起的，有机物占固定碳热解的很大比例。从480到1100℃，质量没有显着变化，表明固定碳的热解几乎完成。基于上述分析，当温度达到480℃时，椰子纤维中的大多数有机物被燃烧，碳化在600℃完成。因此，椰子纤维的碳化温度选择为600℃。从480到1100℃，质量没有显着变化，表明固定碳的热解几乎完成。基于上述分析，当温度达到480℃时，椰子纤维中的大多数有机物被燃烧，碳化在600℃完成。因此，椰子纤维的碳化温度选择为600℃。从480到1100℃，质量没有显着变化，表明固定碳的热解几乎完成。基于上述分析，当温度达到480℃时，椰子纤维中的大多数有机物被燃烧，碳化在600℃完成。因此，椰子纤维的碳化温度选择为600℃。

3.5 傅里叶变换红外（FTIR）光谱分析

活性炭纤维的化学结构和官能团可通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱法测定。活化前后椰子碳纤维的FTIR光谱如图8所示。从图8中可以看出，碳化椰子纤维和活性炭纤维的特征吸收峰均出现在3435,2920,2850,1610和1115cm -1处。3435cm -1处的吸收峰归属于O-H键伸缩振动，而2920cm -1和2850cm -1的吸收峰归属于C-H键伸缩振动。34 CC键的伸缩振动在芳环中导致的吸收峰在1610厘米-1，并且在1115厘米的吸收峰-1归因于C-O键的伸缩振动。此外，活性碳纤维的FTIR光谱在873cm -1处具有弱吸收峰，这归因于芳环的高取代度中C-H键的弯曲振动。35结果表明，椰子纤维的碳化在活化KOH后形成芳环，并且由于活化温度为900℃，芳环中的氢含量被其它取代基取代。这类似于活性炭的FTIR光谱，其由苯乙烯 - 二乙烯基苯在1000℃下通过磷酸活化制备。34整体而言，碳化椰子纤维可以含有羟基，-CH 2 -或-CH 3，C C，C-O和其它化学基团，和KOH的活化后的活性碳纤维可以含有羟基，-CH 2 -或- CH 3，C C，C-O和更高程度的取代芳环和其他化学基团。

3.6 吸附结果

亚甲基蓝，刚果红和中性红水溶液的最大吸收波长分别位于660,500和520nm。制备一系列不同浓度的亚甲基蓝，刚果红和中性红水溶液，测定各染料在相应最大波长下的浓度 - 吸光度曲线，标准曲线方程和拟合结果如表2所示。

初始染料浓度对吸附容量和吸附速率的影响如图9所示。可以看出，活性炭纤维的染料吸附容量和吸附速率随着初始浓度的增加而增加，持续120分钟。当初始染料浓度为5 mg L -1,120 min 时，活性炭纤维上的吸附达不到平衡，吸附容量不饱和。然而，从吸附速率曲线可以观察到亚甲基蓝和中性红的吸附速率开始变慢。如果条件不变，初始浓度继续从5 mg L -1增加亚甲蓝和中性红吸附样品在一定浓度范围内达到饱和，而刚果红的吸附量仍在增加。此外，当染料的初始溶液浓度，pH值和吸附时间相同时，我们发现亚甲蓝在活性炭纤维上的吸附容量达到最大值。比较三种染料，亚甲蓝的吸附率明显高于其他两种染料，初始浓度为1 mg L -1时差异明显。

通常，当染料分子在水溶液中电离时，碱性染料的有色离子是阳离子，酸性染料反之亦然（阴离子）。同时，亚甲基蓝，刚果红和中性红分别为碱性染料，酸性染料和碱性染料。在低pH下，基于椰子纤维的活性炭材料在其表面上主要具有正电荷，其显示出对亚甲基蓝（阳离子）和中性红（阳离子）的静电排斥，同时对刚果红染料（阴离子）的静电吸附。pH的增加导致活性炭的正电荷逐渐转变为负电荷。在这种情况下，活性炭和刚果红的静电吸附变成排斥，亚甲蓝和中性红之间存在静电吸引。据其他一些研究报道，除静电吸附外，活性炭吸附剂与含苯环化合物（亚甲蓝，刚红和中性红均含有苯环）之间存在两种相互作用力。一种是由活性炭表面的氢键供体与染料中的芳环之间的π-H键引起的，而另一种是活性炭的基表面与苯环之间的π-π分散力。 。在这项研究中，我们推测这三种力存在于椰子活性碳纤维和三种染料之间的吸附过程中。一种是由活性炭表面的氢键供体与染料中的芳环之间的π-H键引起的，而另一种是活性炭的基表面与苯环之间的π-π分散力。 。在这项研究中，我们推测这三种力存在于椰子活性碳纤维和三种染料之间的吸附过程中。一种是由活性炭表面的氢键供体与染料中的芳环之间的π-H键引起的，而另一种是活性炭的基表面与苯环之间的π-π分散力。 。在这项研究中，我们推测这三种力存在于椰子活性碳纤维和三种染料之间的吸附过程中。36-38图10显示pH对三种染料水溶液的吸附容量的影响。可以观察到pH对吸附容量的影响是显而易见的。在亚甲蓝和中性红的碱性染料上，吸附量随着pH值的增加而增加，当pH = 9时，吸附量达到最大值。对于刚果红的酸性染料，刚果红染料在活性炭上的吸附纤维在pH = 3时最大，然后随着pH的增加，吸附能力降低。因此，活性炭纤维吸附亚甲基蓝和中性红的最佳pH值为9，刚果红吸附的最佳pH值为3。

吸附时间对三种染料吸附容量的影响如图11所示。随着吸附时间的延长，活性炭纤维对三种染料的吸附能力增强。吸附容量在前20分钟内迅速增加，后期吸附趋于逐渐平衡。亚甲蓝，刚果红和中性红的吸附容量分别在150,120和120 min达到平衡。这主要是由于椰子基活性炭纤维上存在大量活性吸附位点。由于活性位点的减少，早期吸附速率更快，因为活性位点充足，后期吸附速率降低至平衡。由于吸附主要发生在活性炭表面，当吸附一定量的染料时，空间位阻的影响减缓了染料在活性炭上的吸附速率。此外，如果染料的分子量增加，则染料的吸附和饱和吸附值降低，吸附剂的用量恒定。

吸附动力学模型通常用于描述吸附定律。基于上述亚甲基蓝，刚果红和中性红染料的吸附平衡结果，研究了椰子基活性炭纤维的吸附动力学。通过绘制的处理时间的曲线图Ť（分钟）相对于 LN（Q ë - Q 吨），可如图获得一级动力学方程拟合曲线图12。 。通过绘制处理时间T（min）与t / Q t的关系图，可以得到准二阶动力学方程拟合曲线，如图13所示。。通过绘制t 1/2 对Q t的曲线图，可以得到粒子扩散方程的拟合曲线，如图14所示。根据上面给出的公式，计算的动力学参数总结在表3中。

实验测得的亚甲基蓝，刚果红和中性红染料的吸附平衡分别为21.3,22.1和20.7 mg g -1。通过比较的理论平均吸附量Q Ë和拟合曲线的相关系数- [R 2从表3，我们可以看到的是，在相同条件下，相对于所述准一级动力学方程和粒子内扩散模型，准- 二级动态吸附模型更准确地描述了活性炭纤维对亚甲蓝，刚红和中性红的动态吸附过程，其中相应的准二级动力学方程为t / Q t= 0.1 + 吨 /21.3，吨 / Q 吨 = 0.11 + 吨 /21.59和吨 / Q 吨 = 0.02 + 吨 /20.66，分别。中性红准准二级动力学方程的相关系数为0.9999，表明活性炭纤维对中性红的吸附过程的一致性程度较高。此外，中性红颗粒扩散方程的截距较大，表明对内表面的吸附效应较大。但是，三种染料的线性拟合为Q t - t 1/2因此，它表明活性炭纤维上的颗粒扩散过程不是亚甲蓝，刚红和中性红的吸附速率控制步骤。结果表明，吸附剂和吸附物之间可能通过共价或电子交换发生络合，配位或螯合作用，属于化学吸附过程，揭示了活性炭纤维吸附的固有规律性。

4 结论

使用椰子纤维作为前体制备活性碳纤维。发现活化过程可以通过形成许多微孔并抑制碳纤维表面焦油的形成和沉淀，有效地增加碳材料的比表面积。所得活性炭纤维的比表面积为1556m 2 g -1，孔体积达到0.72cm 3 g -1。活性炭纤维的孔径主要分布在0.7-1.8nm的范围内，并且还存在2-9nm范围内的少量中孔。以亚甲蓝，刚果红和中性红为模型污染物，所得活性炭纤维的吸附容量和吸附速率随着初始染料浓度的增加而增加。在相同条件下，亚麻蓝的吸附容量和吸附率与刚果红和中性红相比最大。对于亚甲蓝和中性红的吸附，吸附容量随pH的增加而增加。对于刚果红的吸附，随着pH值的增加，吸附量呈下降趋势，当pH值为3时，吸附量达到最大值。亚甲蓝，刚果红和中性红的最佳pH值分别为9,3和9。准二级反应模型可以很好地描述吸附动力学。