近年来，工业的迅速发展给人们带来高的经济效益，但工业废水处理的高成本造成大量工业废水直接排放进入河流，从而造成河流的污染。其中，电解、电镀、农药、颜料、油漆等工业废水中含有大量的重金属离子，严重威胁周围生态的平衡与人们身体的健康，重金属因其特殊的化学、地球化学性质及毒性效应，被称为环境中具有潜在危害的重要污染物，具有高度危害性和难治理性。因此，对水体中重金属离子污染的净化一直以来是国内外学者研究的热点。
目前，常用的处理重金属离子废水的方法有：吸附法、离子交换法、膜分离法、化学沉淀法等。相比其他治理方法，吸附法具有占地面积小、合成工艺简单、操作方便、成本低、没有二次污染，吸附剂可重复使用等优点。笔者以吸附性能好的碳球为吸附材料，研究了其对含铜离子和铅离子的模拟废水的吸附性能。
1.1 实验原料与仪器
原料：可溶性淀粉，分析纯，天津市光复精细化工研究所;硝酸铅，分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司;氯化铜，分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司。
仪器：高压釜，烟台科立化工设备有限公司， 120 mL;TAS-990火焰原子吸收分光光度计，北京森迈科技有限公司;TENSONR 27 傅里叶红外光谱仪，德国布鲁克公司;Nano SEM 450扫描电子显微镜，荷兰FEI公司。
1.2 碳球的水热制备
将一定量可溶性淀粉和蒸馏水加入到100 mL单口圆底烧瓶中，在100 ℃回流加热3 h使可溶性淀粉完全溶解，再将溶解好的淀粉溶液加入到不锈钢高压反应釜中在180 ℃烘箱中水热不同的时间，反应完毕自然冷却至室温，即得到碳球的悬浮液。
1.3 重金属离子的去除
分别配制10 mg/L的硝酸铅、氯化铜溶液，取适量加入到所制备的碳球悬浮液中，此时，铅离子或铜离子的初始浓度为C0，25 ℃下搅拌3 h后静置 24 h使碳球沉淀，利用原子吸收光谱测定上层液的铅离子或铜离子的浓度，记做C1。根据C0、C1的变化计算重金属离子的去除率η。
2 结果与讨论
2.1 可溶性淀粉浓度对金属离子去除率的影响
以葡萄糖单元为基准，配制不同浓度的淀粉溶液。淀粉溶液浓度不同，所制备的碳球的粒径就不同，从而导致碳球表面功能基团的数量不同。图 1为在180 ℃水热16 h条件下，淀粉溶液浓度分别为0.05、0.10、0.15、0.25 mol/L时所制备的碳球对铅离子、铜离子的去除率。
图 1 淀粉溶液浓度对金属离子去除率的影响
由图 1可知，在加入相同量的铅离子或铜离子，不同淀粉浓度的条件下，碳球对铜离子的去除率整体高于碳球对铅离子的去除率，证明铜离子容易被碳球去除，随着淀粉浓度的增大，碳球对铜离子的去除率逐渐升高，碳球对铅离子的去除率先降低后升高，去除率不稳定，说明铅离子和碳球之间的作用力较弱。
在淀粉浓度为0.01 mol/L，180 ℃水热16 h时，虽然碳球对铜离子或铅离子的去除率高，但所制备的碳球不容易静置沉淀分离，因此，在水热温度和水热时间一定的条件下，淀粉浓度为0.25 mol/L是制备碳球的最佳条件。
2.2 水热时间对金属离子去除率的影响
在相同淀粉浓度下，水热时间不同，所制备的碳球表面功能基团的数量就不同，从而导致碳球对金属离子的去除率不同。图 2为在淀粉浓度为0.15 mol/L，水热温度为180 ℃，水热时间分别为8、12、16、20、24 h 条件下所制备碳球对铅离子、铜离子的去除率。
图 2 水热时间对金属离子去除率的影响
由图 2可知，在不同水热时间下所制备的碳球对铜离子的去除率高于对铅离子的去除率，随着时间的延长，碳球对铜离子的去除率逐渐降低，直到水热16 h以后对金属离子的去除率不再变化，说明铜离子和碳球之间的作用力较弱，而对铅离子的去除率不稳定，说明铅离子或碳球之间的作用力较弱。
在淀粉浓度为0.15 mol/L，水热时间为8 h时，虽然碳球对铜离子或铅离子的去除率高，但所制备的碳球产率低且不容易静置沉淀分离，因此，在淀粉浓度和水热温度一定的条件下，水热16 h为制备碳球的最佳条件。
2.3 碳球去除铜离子后的SEM分析
图 3为在180 ℃水热16 h条件下，淀粉溶液浓度分别为0.05、0.10、0.15、0.25 mol/L时所制备的碳球吸附铜离子后的SEM(依次对应图 3上的a~d)。
由图 3可知：(1)所制备的碳球呈球形，由于淀粉分子质量分布较宽，所制备的碳球的粒度分布也较宽，碳球的粒径为1~5 μm左右。(2)随着淀粉浓度的增大，碳球的直径逐渐减小，粒径也逐渐变得均匀，即比表面积越来越大，有利于吸附金属离子，这与碳球对铜离子的吸附结果(图 1)一致。由图 3c可知，铜离子吸附在碳球表面(没吸附铜离子时碳球表面为光滑结构)。
图 3 不同淀粉浓度下所制备碳球吸附铜离子后的扫描电镜照片
图 4是在淀粉浓度为0.15 mol/L，水热时间分别为8、12、20、24 h 条件下所制备碳球吸附铜离子后的SEM(依次对应图 4上的a~d)。由图 4可知，所制备的碳球呈球形，粒径分别为0.70~1.70、2.0~5.0、1.0~4.0、0.35~0.55 μm，碳球粒径随着时间的延长先增加后减小，说明碳球在水热8 h时已经形成，但结构不密实，12 h以后，继续延长时间，碳球粒径减小，碳球变得更加密实，但碳球表面羟基数量略微减少，因此，碳球对金属离子的去除率先减小后趋于稳定，这一结果与图 2一致。
图 4 不同水热时间所制备的碳球吸附铜离子后的扫描电镜照片
2.4 碳球吸附金属离子前后的FT-IR分析
红外光谱是证明吸附剂与吸附质之间发生吸附作用的有效手段。图 5为碳球和碳球吸附铅离子或铜离子后的红外光谱，通过比较，吸附金属离子以后，碳球在1 026 cm-1波长处的吸收峰迁移到了 1 030 cm-1波长处，这是由于铜离子和铅离子吸附在碳球表面所致，这与SEM结果一致。
3 结论
以可溶性淀粉为原料，通过水热合成法制备了碳球吸附剂，以铜离子溶液和铅离子溶液为模拟废水研究了碳球的吸附性能。结果表明：
(1)在水热温度和水热时间一定的条件下，淀粉浓度为0.25 mol/L是制备碳球的最佳条件;在淀粉浓度和水热温度一定的条件下，水热16 h是制备碳球的最佳条件。
(2)SEM表征表明铜离子和铅离子吸附在碳球表面，FT-IR光谱显示，碳球吸附了金属离子以后其在1 026 cm-1波长处的吸收峰迁移到了1 030 cm-1处，表明铜离子和铅离子与碳球表面的羟基产生了作用。
(3)不同淀粉溶液浓度对金属离子去除率的影响和不同水热时间对金属离子去除率的影响的实验表明，碳球对金属离子的吸附具有选择性，在相同条件下，碳球对铜离子的去除率高于对铅离子的去除率。