活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭吸附砷的能力怎么提高

　　砷是一種有毒的準金屬，可以在天然硫化礦物或沉積物中找到。這些天然砷化合物通常通過火山活動和風化反應等全球地球化學活動釋放到水中。此外，也有人為的砷化合物釋放到自然界中。自然界中釋放的砷的主要無機種類是無機形式。三價砷是厭氧條件下的主要污染物，其毒性大于五價砷。從水中除去超標的砷，吸附法是比較好用的，活性炭是常用材料。為了提高活性炭對砷的吸附能力，使用苯胺對各種原材料進行熱化學氣相沉積以制備摻氮活性炭樣品，再來測試對砷的吸附能力。

　　怎么提高活性炭的吸附能力

　　加熱和氮摻雜處理可以增加活性炭的陰離子吸附能力。在950℃下加熱活性炭以通過含氧酸性官能團的分解來增強石墨烯層上的π電子。石墨烯層上的π電子可以吸引一些質子，導致吸附位點略有增加，并且通過退火過程分解含氧酸性官能團會增強π電子，因為這些官能團被稱為電子-撤回團體。經過熱處理使活性炭樣品具有抵抗蒸汽活化的硬度，因此，我們必須在最后一步進行退火過程，因為在退火后無法正確進行蒸汽活化。并且通過熱處理從其他表面氮物種形成季氮，進行實際檢測來證明活性炭的原始表面性質對砷吸附能力的影響。

　　根據溶液pH值對砷的潛在吸附位點

　　活性炭的陰離子吸附能力通常受溶液pH值的影響。因此，我們使用吸附實驗數據評估了所有pH范圍內砷的潛在吸附位點。pH2-12吸附容量的結果如圖1所示。所有樣品在pH7附近表現出高吸附能力。通常，酸性pH條件下的陰離子吸附能力取決于堿性官能團的數量。作為基本官能團的例子，石墨烯層上的π電子可以吸引一些質子，導致吸附位點略有增加。此外，吡啶氮(N-6)、吡咯氮(N-5)和胺基團在低于特定pH值時會變成帶正電荷的吸附位點，這取決于它們的酸度系數，而季氮始終以帶正電的形式存在。因此，當這些位點根據它們的酸度系數在某些酸性pH范圍內變成正電荷時，它們可以充當陰離子吸附位點。由于這個原因，碳的活化在酸性pH值而不是堿性pH值條件下表現出相對較高的砷吸附能力。然而，H3AsO4的酸度系數值為2.19、6.94和11.5。例如，砷酸鹽的主要種類是H3AsO4和H2AsO4-在pH值2.19。因此，當溶液pH值低于2時，砷的主要種類變為中性。活性炭和被吸附物之間的靜電相互作用變得排斥。此外，由于用鹽酸調節pH，砷酸鹽和氯離子之間的競爭會抑制砷酸鹽的吸附。相反，砷的主要種類是堿性pH范圍內的陰離子。然而，當溶液的堿度大于每個樣品的pHpzc時，碳表面帶負電荷。這些強堿性條件在靜電上不適合陰離子吸附。此外，過量的氫氧根離子也在堿性區域中充當強競爭離子。綜上所述，陰離子吸附在堿性pH范圍內是不利的。

　　圖1：活性炭在各種平衡pH范圍內對砷吸附的影響。

　　吸附等溫線

　　我們在圖2中顯示了連續加熱處理活性炭的朗繆爾吸附等溫線。由于顯示出大吸附容量的pH值較窄，因此我們將平衡pH條件確定為pH6.6-7.0。在此范圍內，大多數經CVD處理的樣品顯示出穩定的吸附能力。決定系數指出朗繆爾等溫線與所有樣品的合適匹配。因此，該結果表明砷吸附可以發生在單層上。總之，該結果支持了砷酸鹽吸附發生在NQ位點、石墨烯層上的π電子質子化以及活性炭的含氧和氮的基本官能團質子化的想法。

　　圖2：活性炭的砷吸附朗繆爾吸附等溫線。

　　具有微孔表面的活性炭適合作為砷吸附劑，實驗結果是增加活性炭的比表面積和高濃度的季氮含量將增強所有pH范圍內的砷吸附。蒸汽活化的連續處理前驅體的氮含量影響了基本官能團，因此由低含氮前驅體制成的樣品在酸性pH條件下表現出低砷吸附能力。如果熱處理后的結構容易被活化工藝破壞，熱化學氣相沉積工藝后產生的表面會在活化過程中丟失。熱化學氣相沉積工藝引入的氮將在整個pH范圍內的砷吸附機制中發揮重要作用。因此，活性炭前體應具有抗熱處理的剛性表面，經過處理后氮含量增加了1.7%。由于其介孔表面，增加是所有前體中比較高的。

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