近年來，工業的迅速發展給人們帶來高的經濟效益，但工業廢水處理的高成本造成大量工業廢水直接排放進入河流，從而造成河流的污染。其中，電解、電鍍、農藥、顏料、油漆等工業廢水中含有大量的重金屬離子，嚴重威脅周圍生態的平衡與人們身體的健康，重金屬因其特殊的化學、地球化學性質及毒性效應，被稱為環境中具有潛在危害的重要污染物，具有高度危害性和難治理性。因此，對水體中重金屬離子污染的凈化一直以來是國內外學者研究的熱點。

　　目前，常用的處理重金屬離子廢水的方法有：吸附法、離子交換法、膜分離法、化學沉淀法等。相比其他治理方法，吸附法具有占地面積小、合成工藝簡單、操作方便、成本低、沒有二次污染，吸附劑可重復使用等優點。筆者以吸附性能好的碳球為吸附材料，研究了其對含銅離子和鉛離子的模擬廢水的吸附性能。

　　1 碳球的制備

　　1.1 實驗原料與儀器

　　原料：可溶性淀粉，分析純，天津市光復精細化工研究所;硝酸鉛，分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司;氯化銅，分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司。

　　儀器：高壓釜，煙臺科立化工設備有限公司， 120 mL;TAS-990火焰原子吸收分光光度計，北京森邁科技有限公司;TENSONR 27 傅里葉紅外光譜儀，德國布魯克公司;Nano SEM 450掃描電子顯微鏡，荷蘭FEI公司。

　　1.2 碳球的水熱制備

　　將一定量可溶性淀粉和蒸餾水加入到100 mL單口圓底燒瓶中，在100 ℃回流加熱3 h使可溶性淀粉完全溶解，再將溶解好的淀粉溶液加入到不銹鋼高壓反應釜中在180 ℃烘箱中水熱不同的時間，反應完畢自然冷卻至室溫，即得到碳球的懸浮液〔18〕。

　　1.3 重金屬離子的去除

　　分別配制10 mg/L的硝酸鉛、氯化銅溶液，取適量加入到所制備的碳球懸浮液中，此時，鉛離子或銅離子的初始濃度為C0，25 ℃下攪拌3 h后靜置 24 h使碳球沉淀，利用原子吸收光譜測定上層液的鉛離子或銅離子的濃度，記做C1。根據C0、C1的變化計算重金屬離子的去除率η。

　　2 結果與討論

　　2.1 可溶性淀粉濃度對金屬離子去除率的影響

　　以葡萄糖單元為基準，配制不同濃度的淀粉溶液。淀粉溶液濃度不同，所制備的碳球的粒徑就不同，從而導致碳球表面功能基團的數量不同。圖 1為在180 ℃水熱16 h條件下，淀粉溶液濃度分別為0.05、0.10、0.15、0.25 mol/L時所制備的碳球對鉛離子、銅離子的去除率。

圖 1 淀粉溶液濃度對金屬離子去除率的影響

　　由圖 1可知，在加入相同量的鉛離子或銅離子，不同淀粉濃度的條件下，碳球對銅離子的去除率整體高于碳球對鉛離子的去除率，證明銅離子容易被碳球去除，隨著淀粉濃度的增大，碳球對銅離子的去除率逐漸升高，碳球對鉛離子的去除率先降低后升高，去除率不穩定，說明鉛離子和碳球之間的作用力較弱。

　　在淀粉濃度為0.01 mol/L，180 ℃水熱16 h時，雖然碳球對銅離子或鉛離子的去除率高，但所制備的碳球不容易靜置沉淀分離，因此，在水熱溫度和水熱時間一定的條件下，淀粉濃度為0.25 mol/L是制備碳球的最佳條件。

　　2.2 水熱時間對金屬離子去除率的影響

　　在相同淀粉濃度下，水熱時間不同，所制備的碳球表面功能基團的數量就不同，從而導致碳球對金屬離子的去除率不同。圖 2為在淀粉濃度為0.15 mol/L，水熱溫度為180 ℃，水熱時間分別為8、12、16、20、24 h 條件下所制備碳球對鉛離子、銅離子的去除率。

圖 2 水熱時間對金屬離子去除率的影響

　　由圖 2可知，在不同水熱時間下所制備的碳球對銅離子的去除率高于對鉛離子的去除率，隨著時間的延長，碳球對銅離子的去除率逐漸降低，直到水熱16 h以后對金屬離子的去除率不再變化，說明銅離子和碳球之間的作用力較弱，而對鉛離子的去除率不穩定，說明鉛離子或碳球之間的作用力較弱。

　　在淀粉濃度為0.15 mol/L，水熱時間為8 h時，雖然碳球對銅離子或鉛離子的去除率高，但所制備的碳球產率低且不容易靜置沉淀分離，因此，在淀粉濃度和水熱溫度一定的條件下，水熱16 h為制備碳球的最佳條件。

　　2.3 碳球去除銅離子后的SEM分析

　　圖 3為在180 ℃水熱16 h條件下，淀粉溶液濃度分別為0.05、0.10、0.15、0.25 mol/L時所制備的碳球吸附銅離子后的SEM(依次對應圖 3上的a~d)。

　　由圖 3可知：(1)所制備的碳球呈球形，由于淀粉分子質量分布較寬，所制備的碳球的粒度分布也較寬，碳球的粒徑為1~5 μm左右。(2)隨著淀粉濃度的增大，碳球的直徑逐漸減小，粒徑也逐漸變得均勻，即比表面積越來越大，有利于吸附金屬離子，這與碳球對銅離子的吸附結果(圖 1)一致。由圖 3c可知，銅離子吸附在碳球表面(沒吸附銅離子時碳球表面為光滑結構)。

圖 3 不同淀粉濃度下所制備碳球吸附銅離子后的掃描電鏡照片

　　圖 4是在淀粉濃度為0.15 mol/L，水熱時間分別為8、12、20、24 h 條件下所制備碳球吸附銅離子后的SEM(依次對應圖 4上的a~d)。由圖 4可知，所制備的碳球呈球形，粒徑分別為0.70~1.70、2.0~5.0、1.0~4.0、0.35~0.55 μm，碳球粒徑隨著時間的延長先增加后減小，說明碳球在水熱8 h時已經形成，但結構不密實，12 h以后，繼續延長時間，碳球粒徑減小，碳球變得更加密實，但碳球表面羥基數量略微減少，因此，碳球對金屬離子的去除率先減小后趨于穩定，這一結果與圖 2一致。

圖 4 不同水熱時間所制備的碳球吸附銅離子后的掃描電鏡照片

　　2.4 碳球吸附金屬離子前后的FT-IR分析

　　紅外光譜是證明吸附劑與吸附質之間發生吸附作用的有效手段。圖 5為碳球和碳球吸附鉛離子或銅離子后的紅外光譜，通過比較，吸附金屬離子以后，碳球在1 026 cm-1波長處的吸收峰遷移到了 1 030 cm-1波長處，這是由于銅離子和鉛離子吸附在碳球表面所致，這與SEM結果一致。具體參見http://www.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。

　　3 結論

　　以可溶性淀粉為原料，通過水熱合成法制備了碳球吸附劑，以銅離子溶液和鉛離子溶液為模擬廢水研究了碳球的吸附性能。結果表明：

　　(1)在水熱溫度和水熱時間一定的條件下，淀粉濃度為0.25 mol/L是制備碳球的最佳條件;在淀粉濃度和水熱溫度一定的條件下，水熱16 h是制備碳球的最佳條件。

　　(2)SEM表征表明銅離子和鉛離子吸附在碳球表面，FT-IR光譜顯示，碳球吸附了金屬離子以后其在1 026 cm-1波長處的吸收峰遷移到了1 030 cm-1處，表明銅離子和鉛離子與碳球表面的羥基產生了作用。

　　(3)不同淀粉溶液濃度對金屬離子去除率的影響和不同水熱時間對金屬離子去除率的影響的實驗表明，碳球對金屬離子的吸附具有選擇性，在相同條件下，碳球對銅離子的去除率高于對鉛離子的去除率。