目前，我国棉纺品废料的年产量可达700万t，传统堆积、填埋、焚烧以及能量回收等^［1-2］处理方式会造成严重的资源浪费和环境污染等问题，因此，将棉纺品废料进行资源化处理成为当前的研究热点之一。另外，传统活化剂如KOH和ZnCl₂等^［3-4］会腐蚀设备，甚至会危害生产人员身体健康，而以铁盐为代表的一些新型活化剂正受到专家学者的重视^［5-6］。

本文以棉经纬纶废料为原料，利用Fe(NO₃)₃为活化剂制备介孔炭。通过单因素实验考察制备条件对介孔炭碘值和得率的影响，运用扫描电镜（SEM）、孔径分析（BET）等现代测试手段分析介孔炭的性质，并研究其对水体中Cr(VI)的吸附性能。

1 材料和方法 1.1 实验材料及所需试剂

实验原料为江苏省无锡市某棉纺织厂生产的棉经纬纶废料。所用试剂均为分析纯，主要包括九水合硝酸铁、碘及重铬酸钾等，均购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 实验方法 1.2.1 介孔炭的制备

取2.5 g洗净并剪碎至0.5～1.0 cm的棉经纬纶废料置于25 mL Fe(NO₃)₃溶液中，其中Fe(NO₃)₃和棉经纬纶废料质量比（简称质量比）为0.5∶1～3∶1，在20 ℃下密封浸渍，24 h后置于65 ℃干燥箱中干燥12 h。将干燥后的样品置于管式炉中活化热解，保护气体为100 mL·min⁻¹的高纯氮，设定活化温度为600～800 ℃，活化时间为1～3 h。将制得的介孔炭冷却至室温后取出，采用100 mL体积分数为10%的HCl溶液酸洗，微沸10 min，最后用去离子水反复冲洗至滤出液pH为6.0～7.0，将炭样放入105 ℃干燥箱中干燥12 h，得到成品介孔炭，保存备用。

1.2.2 吸附等温线

分别称取0.1 g介孔炭，将其投加至50 mL pH已调至2.0的200～1 000 mg·L⁻¹的Cr(VI)溶液中，于恒温振荡摇床中反应，设置温度和转速分别为25 ℃和150 r·min⁻¹，12 h后取出，并利用0.45 μm的滤膜过滤，而后采用分光光度计测量其吸光度。

1.2.3 测试方法

样品得率为介孔炭质量与原料质量的比值，碘值根据《木质活性炭试验方法 碘吸附值的测定》（GB/T 12496.8—2015）测得^［7］。采用美国康塔AUTOSORB IQ分析仪分析材料的孔径结构。Cr(VI)的浓度根据《水质 六价铬的测定 二苯碳酰二肼分光光度法》（GB 7467—87）测得^［8］。

2 结果和讨论 2.1 单因素实验 2.1.1 质量比对介孔炭碘值和得率的影响

图1为当活化温度为700 ℃、活化时间为1 h时质量比对介孔炭碘值和得率的影响。从图中可看出，随着活化剂占比的增加，介孔炭碘值和得率均逐渐减小。这是因为Fe(NO₃)₃容易受热分解转变为Fe₂O₃，浸渍工艺使得原料与Fe₂O₃可以充分接触。在700 ℃下，Fe₂O₃会与前驱体中的碳发生氧化还原反应，CO和CO₂等气体逸出，促进孔隙的形成。一方面，前期质量比越大，分解生成的Fe₂O₃越多，对前驱体的消耗也就越大，导致样品的得率随着质量比的增大持续降低；另一方面，当质量比较低时，反应较为温和，生成的中孔及少量微孔得以留存，碘值较大。随着活化剂投加量增多，反应愈发剧烈，原有微孔崩塌，中孔扩大变为大孔，造成碘值持续降低。因此，后续研究中将Fe(NO₃)₃和棉经纬纶废料质量比定为0.5∶1。

2.1.2 活化温度对介孔炭碘值和得率的影响

图2为当质量比为0.5∶1、活化时间为1 h时活化温度对介孔炭碘值和得率的影响。由图中可知，随着活化温度的升高，介孔炭得率始终呈下降趋势。这是因为当活化温度升高时，材料内部相邻分子之间的缩合反应愈发完全，挥发性物质的产量随之增多，造成得率持续降低。当活化温度从500 ℃升高到700 ℃时，碘值明显增大，而当温度继续升高至800 ℃时，碘值基本维持不变。这是由于温度升高会促进反应的进行，在低温500 ℃下，样品内部的孔隙结构初步形成，而后温度升高到700 ℃时，孔隙变得丰富、发达，在500～700 ℃这一区间内，碘值表现为持续增大。而当温度过高，达到800 ℃时，已有孔隙的崩塌与新孔的生成同步进行，且两者速率基本维持一致，其相互作用的结果为：相比700 ℃时，得率降低39.68%，而碘值仅增加3.52%。因此，综合考虑能耗与产值的关系，将制备介孔炭的最佳活化温度定为700 ℃。

2.1.3 活化时间对介孔炭碘值和得率的影响

图3为当质量比为0.5∶1、活化温度为700 ℃时活化时间对介孔炭碘值和得率的影响。从图中可看出，碘值和得率的变化幅度总体较小，表明活化时间对介孔炭碘值和得率的影响较小。活化时间的延长使得能耗增多，但介孔炭的性能并未有较大的提升，因此，将制备介孔炭的最佳活化时间定为0.5 h。

综上所述，利用Fe(NO₃)₃活化热解棉经纬纶废料制备介孔炭，筛选出其最佳工艺条件为：质量比为0.5∶1、活化温度为700 ℃、活化时间为0.5 h，制得的炭样（FeAC）碘值和得率分别为409.78 mg·g⁻¹和13.72%。

2.2 材料表征 2.2.1 电镜扫描

图4为FeAC电镜扫描图。从图4（a）中可看出，FeAC的表面存在大量包状凸起。这是由于材料内部气体逸出导致的结果，其中凸起破裂表明气体逸出较为剧烈。从图4（b）中可看出，样品内部含有大量细小孔道，这些孔道与图4（a）中的包状凸起相贯通，共同组成FeAC的孔隙结构。结合图4（a）、（b）可知，FeAC的孔隙结构较为丰富、发达。

2.2.2 孔径结构

图5为FeAC的N₂吸附−脱附等温线和孔径分布，其中相对压力为p/p₀，p为吸附质压力，p₀为吸附质饱和蒸汽压。从图中可以看出：曲线斜率在低压端急剧增大；随着相对压力的增大，材料对N₂的吸附量也随之增大；在相对压力较高时，曲线呈上翘趋势，表明样品对N₂的吸附仍未达到饱和。由IUPAC^［9］的判定标准可知，该曲线属于IV型等温曲线，对应于介孔材料的特征，样品孔径集中分布在4 nm左右。

FeAC的结构参数如表1所示。FeAC的比表面积为382.95 m²·g⁻¹，相比于Kacan^［10］的污泥基活性炭的比表面积为308.16 m²·g⁻¹，FeAC的孔隙结构较为发达。FeAC的介孔比表面积为335.16 m²·g⁻¹，而Xu等^［11］的改性活性炭的仅为114.30 m²·g⁻¹；同时，与Sun等^［12］的油茶壳基活性炭相比，两者在总孔容上保持一致，均为0.81 cm³·g⁻¹，但FeAC的介孔容积为0.79 cm³·g⁻¹，要高于油茶壳基活性炭的0.27 cm³·g⁻¹。此外，FeAC的介孔容积占比更是高达97.53%，表明FeAC具有丰富的介孔结构，是一种性能优异的介孔炭材料。

2.3 吸附实验 2.3.1 初始pH

图6为初始pH对FeAC吸附Cr(VI)的影响。从图中可看出，随着溶液初始pH的增加，Cr(VI)的吸附量和去除率均急剧下降。FeAC的零点电荷（pH_pzc）为7.0 ± 0.1，当初始pH < 7.0时，溶液中的H ⁺在质子化作用下转移到吸附剂表面使其带正电，从而得以吸附以阴离子形式存在的Cr(VI)。具体地说，当pH = 2.0～3.0时，Cr(VI)主要以 ${\rm{CrO}}_7^{2 - } $ 形式存在，并有少量的 ${\rm{HCrO}}_4^{ - } $ 和 ${\rm{CrO}}_4^{2 - } $ ，此时吸附剂表面正电荷较多，对阴离子的静电作用较强，表现出较高的吸附量和去除率。而随着pH的增大，材料表面的质子化作用减弱，正电荷较少，对阴离子的静电吸附作用也受到削弱，呈现出较低的吸附量和去除率。

2.3.2 吸附等温线

采用Langmuir和Freundlich两种模型来拟合FeAC对Cr(VI)的吸附行为，相关方程分别为^［13］

Langmuir吸附等温线方程

$\qquad{q_{\rm{e}}} = \frac{{{q_{\rm{m}}}{K_{\rm{L}}}{C_{\rm{e}}}}}{{1 + {K_{\rm{L}}}{C_{\rm{e}}}}}$

(1.1)

Freundlich吸附等温线方程

$\qquad{q_{_{\rm{e}}}} = {K_{\rm{F}}} C_{\rm{e}}^{{1}/{n}}$

(1.2)

式中：q_e为平衡吸附量，mg·g⁻¹；q_m为最大吸附量，mg·g⁻¹；K_L为Langmuir吸附常数，L·mg⁻¹；C_e为平衡时溶液中Cr(VI)的质量浓度，mg·L⁻¹；K_F为Freundlich吸附常数，L·mg⁻¹；n为Freundlich吸附指数，无量纲。

FeAC对Cr（VI）的吸附等温线拟合结果如图7所示，拟合参数如表2所示。由表2中可得，Langmuir模型的相关系数（R² = 0.99）较大，表明Langmuir模型能更好地描述FeAC对Cr(VI)的吸附行为。该吸附过程为单分子层吸附，最大吸附量为46.03 mg·g⁻¹。

3 结　论

基于本文的研究，主要得出以下两点结论：

（1）由单因素实验得出介孔炭最佳制备条件为：质量比为0.5∶1、活化温度为700 ℃、活化时间为0.5 h，其碘值和得率分别为409.78 mg·g⁻¹和13.72%；

（2）FeAC具有丰富的孔隙结构，是一种性能优异的介孔炭材料，比表面积为382.95 m²·g⁻¹，介孔比表面积和介孔容积分别为335.16 m²·g⁻¹和0.79 cm³·g⁻¹；FeAC对Cr(VI)的吸附量随pH增加而减小，最大吸附量为46.03 mg·g⁻¹，吸附行为符合Langmuir模型，为单分子层吸附。