活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭從水溶液中去除溶劑縮酮

　　縮酮和縮醛可用作汽油和柴油燃料的添加劑，可以改善了柴油燃料的冷流特性以及汽油燃料的氧化穩定性、膠質形成和辛烷值由于其獨特的性質。雖然近年來已成為常用的生物添加劑之一，但是隨意排放在水中是會造成嚴重的環境危害。所以在這次研究中，使用了活性炭和金屬有機骨架測試了溶膠縮酮的吸附，出于比較的目的，還選擇雙氯芬酸和咖啡因作為新興污染物來做對比。

　　活性炭對縮酮的吸附實驗

　　吸附過程可能受到幾個起重要作用的因素的影響;其中，吸附劑的用量和吸附物的初始濃度對最終結果影響很大。為了研究吸附劑劑量的作用，根據吸附劑和被吸附物使用了不同的劑量。使用雙氯芬酸和咖啡因作為吸附物和活性炭作為吸附劑，研究了10至30mg的劑量。當縮酮是吸附物時，活性炭用量范圍為1至2g。結果匯總在圖1的第一列中。可以看出，活性炭的吸附容量對于雙氯芬酸和咖啡因是相似的，而在縮酮的情況下要大得多。在實驗中，分析了15mg/dm3濃度的雙氯芬酸或咖啡因上的50、75和100mg活性炭的用量。使用金屬有機骨架時，其對雙氯芬酸的吸附能力大于咖啡因。總的來說，金屬有機骨架的吸附能力在所有情況下都低于使用活性炭作為吸附劑時的吸附能力。在所有實驗中，平衡吸附容量隨著吸附劑劑量的增加而增加。例如，在活性炭和雙氯芬酸(15mg/dm3)的情況下，當活性炭的量從10mg增加到30mg時，吸附量增加了35.9%到83.8%。這一結果可能是由于顆粒相互作用和吸附位點的聚集，導致有機污染物可用的有效吸附表面積減少。

　　圖1：使用不同吸收濃度和活性炭用量對活性炭上雙氯芬酸、咖啡因和縮酮的動力學吸附數據。

　　吸附過程分為兩個階段：初始階段較短且吸附速度較快，因為有更多的游離和更強的活性位點，隨后是較慢和較長的吸收期，在該階段中，吸附力出現在兩個階段之間。已經吸附的有機分子和本體相中的有機分子，防止它們被吸附。進一步研究了有機分子的顆粒內擴散，如圖2所示。該過程外部傳質和有機分子在吸附劑最表層上的快速分布。第二是與顆粒內擴散到吸附劑的更多內部活性位點有關。活性炭的孔隙是金屬有機骨架的兩倍，多孔吸附劑中的吸附過程也通過對平衡應用分數法來估計有效擴散系數，當活性炭是吸附劑時，可以表明內部活性位點的吸收較慢，有利于內部位點的吸附過程。總體趨勢表明，隨著吸附劑用量的增加，擴散系數也隨之增加。

　　圖2：在活性炭和有機金屬骨架上吸附有機分子的粒子內擴散模型。

　　活性炭的吸附機理研究

　　活性炭表面和有機污染物之間的各種類型的相互作用來解釋材料的去除能力：疏水相互作用、π-π堆積相互作用、范德華力、靜電相互作用和氫鍵相互作用，它們可以發生單獨或同時。

　　吸附結果表明，兩種吸附劑(活性炭和金屬有機骨架)對所研究的三種有機化合物具有親和力。吸附劑表面與分子之間的吸引或排斥相互作用受材料表面化學特性的影響。溶液中吸附劑表面的凈電荷以零電荷點為特征。在活性炭的情況下，在之前的工作中發現值為4.5，表明該材料在本研究的吸附條件下帶負電荷。因此，帶負電的表面和有機分子之間的靜電吸引力是可能的。因此，在所使用的實驗條件下，不能忽略范德華力和π-π相互作用對去除有機分子的影響。金屬有機骨架的這種結構可能與活性炭的表面特性有相似之處，在這種情況下，也可以建議將發生上述相同類型的交互。

　　活性炭從水溶液中去除溶劑縮酮的研究中，由于缺乏關于通過吸附從水中去除的數據，已經測試了縮酮吸附以及用于比較的雙氯芬酸和咖啡因。活性炭和金屬有機骨架已被測試為吸附劑;活性炭給出了很好的結果(81%的縮酮被吸附)，盡管金屬有機骨架達到平衡的速度更快(22分鐘)。研究了各種參數的影響，例如吸附劑質量或污染物的初始濃度。吸附動力學分析顯示更適合偽二級模型，其中吸附過程分為兩個階段。活性炭在顆粒內擴散中給出了較低的值，這可能表明內部活性位點的吸收較慢。吸附等溫線也符合實驗數據，與Langmuir和Freundlich方程相比，三參數方程在實驗和理論數據之間給出了更好的一致性。總體而言，兩種吸附劑均已被證明對溶劑縮酮吸附非常好，能夠從水溶液中去除高達81%的溶劑縮酮。

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