活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭去除土壤中的鉛

　　高濃度的鉛不僅會影響土壤的肥力,還可能造成地表和地下水污染。鉛污染不僅能對動物產生嚴重影響，還能通過將土壤的堿性pH值變為酸性pH值來對生態系統產生影響。土壤的酸性pH值會傷害小株植物，限制根部獲取水分和養分。同時，食用含鉛生物蓄積的植物，也會導致鉛中毒。本研究采用MgCl2用作活化劑來制成活性炭去除土壤樣品中的鉛。

　　間歇吸附實驗

　　將等份量的活性炭(0.5g)添加到10g污染土壤(100ppm)中，并將混合物攪拌5分鐘并過夜。加入去離子水以保持其水分。之后，在分析之前，對混合物進行消解處理。在消解過程中采用王水技術，其中1.5g處理過的土壤與16ml王水(6ml65%硝酸(HN03)和18ml37%鹽酸(HCl)混合用作試劑。然后，將混合物加熱至70℃，并使用磁力攪拌器搖晃1小時。之后，用36mL去離子水稀釋混合物，然后用0.45µm濾紙過濾混合物。過濾后的樣品用原子吸收光譜法進行分析。

　　活性炭的制備

　　活性炭原材料被收集、洗滌并在室溫下干燥。將300g原材料在MgCl2水溶液中浸泡24小時。然后，將混合物在熱板上在通風櫥中在75℃下加熱4小時。接下來，活化過程在馬弗爐中在500℃下進行了一個小時。之后，將活性炭用蒸餾水洗滌至pH值為中性，然后在烘箱中在60℃下干燥24小時。制備的活性炭保存在小瓶中以備進一步使用。從FESEM獲得的活性炭表面形態如圖1所示

　　圖1：活性炭的形態(a)放大5000x(b)放大10000x和(c)原材料。

　　鉛(Pb)污染土壤的制備

　　取天然土壤樣品并風干三天。通過將0.25g硝酸鉛(II)稀釋在250mL蒸餾水中制備Pb(1000mg/L)儲備溶液。將原液稀釋至100ppm(250mL)的稀釋鉛溶液，將100g天然土壤樣品浸泡攪拌5分鐘，靜置過夜。接下來，過濾土壤以去除多余的溶液。重復此過程以制備具有其他濃度Pb的污染土壤，分別為50ppm、150ppm和200ppm，以進行批量吸附實驗。

　　能量色散X射線(EDX)光譜

　　活性炭的表面化學成分是通過使用能量色散X射線(EDX)光譜確定的。得到的光譜見圖2，C、N、0、Mg、Ca的百分比分別為7.64%、14.53%、35.31%、0.70%、41.80%。FTIR結果支持C、N和O的存在，該結果表明存在羰基和胺基團。除此之外，高百分比的Ca表明主要是鈣的性質。此外，光譜中出現Mg表明Mg化合物與碳和氧強烈結合。因此，無論是用熱蒸餾水還是冷蒸餾水，都不容易通過洗滌去除。

　　圖2：活性炭的EDX譜。

　　活性炭除土壤中的鉛的能力

　　原子吸收光譜法用于測定土壤中的鉛濃度。從獲得的結果來看，活性炭在所有測試的鉛污染土壤中顯示出高達-98%的鉛的高吸附能力。高吸附百分比是由于Mg2+離子和CO2-離子的存在，這有助于通過靜電吸引增強土壤中鉛的固定。受污染土壤中的鉛濃度很高。在活性炭中，Mg2+與土壤中的Pb2+發生離子交換。活性炭中的碳酸鈣(CaCO3)也有助于增加鉛吸附。圖3(a)說明了來自活性炭的Mg2+與土壤中Pb2+的離子交換過程，(b)是鉛污染土壤中離子交換的說明。大孔的存在也增強了鉛離子吸附到活性炭表面的能力，因為大孔具有相對較小的比表面積，并且基本上控制了鉛離子吸附到內部多孔網絡中。該研究表明活性炭可作為去除土壤中鉛的合適吸附劑。

　　圖3：(a)活性炭中的Mg2+與土壤中Pb2+的離子交換過程和(b)鉛污染土壤中的離子交換。

　　土壤中去除鉛的研究中，活性炭通過使用MgCl2作為化學活化劑并在500℃下碳化1小時而制備。研究結果表明，即使活性炭具有很小的表面積，但由于存在Mg2+和CO2-離子，因此具有去除污染土壤中鉛的高潛力。因此，這種活性炭吸附劑的潛在應用為從土壤中去除鉛提供了一種簡單好用的方法。

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