活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭吸附處理3,5-二硝基水楊酸

　　水污染在環(huán)境保護中是一個大問題，最近發(fā)現(xiàn)一些硝基芳族化合物存在于工業(yè)(如葡萄酒工業(yè))的廢水中。其中一種化合物是3,5-二硝基水楊酸(DNS)，廣泛用于各種測試，也是是廢水中的一種新興污染物。為了更好的利用水資源實現(xiàn)受污染污水中的水的再利用，提成了一種吸附污染物的處理方法是使用活性炭，它表現(xiàn)出穩(wěn)定性和高吸附能力、易于處理、低能耗和通用性，并且不會形成反應(yīng)副產(chǎn)物。活性炭廣泛用于水處理因為它具有諸如高接觸表面、孔隙率和豐富的表面基團等特性，與粘土、沸石和石墨烯中的特性相比，這些特性更穩(wěn)定。

　　3,5-二硝基水楊酸吸附等溫線

　　平衡吸附分析使我們能夠獲得不同等溫線模型的參數(shù)，表明在去除污染物時進行了何種類型的過程。在圖1中，顯示了使用粉末活性炭(圖1a)和活性炭(圖1b)在不同溫度下DNS的吸附能力。還觀察到3,5-二硝基水楊酸在兩種吸附劑中的吸附都隨著溫度的升高而顯著影響，隨著溫度的升高呈現(xiàn)出更大的吸附。因此，在45℃時，活性炭和粉末活性炭的大吸附容量分別為6.97和11.57mg/g。這可能是由于去除過程的環(huán)境，這會導(dǎo)致吸附劑表面隨著溫度的升高而增加其對3,5-二硝基水楊酸吸附的參與。使用商用活性炭的文獻中也報道了類似的行為。在其他研究中，使用這種吸附劑還觀察到，基于苯酚、高氯酸鹽和重金屬等的不同化合物的吸附能力有所增加。

　　圖1：不同溫度下DNS吸附的演變(a)活性炭和(b)粉末活性炭。

　　使用經(jīng)商業(yè)氧化方法在不同溫度下處理的活性炭去除磺基水楊酸和3,5-二硝基水楊酸的研究發(fā)現(xiàn)，最適合的模型是Langmuir的模型，表現(xiàn)出很大的吸附能力。在一些藥物化合物中，如雙氯芬酸、乙酰水楊酸、咖啡因等，最適合的模型是Toht，盡管在其他化合物中最佳模型是朗繆爾。此外，酚類和衍生化合物的吸附已在活性炭和其他低成本吸附劑中進行。

　　活性炭和粉末活性炭中3,5-二硝基水楊酸吸附的傳質(zhì)研究

　　外部和粒子內(nèi)傳質(zhì)過程的分析可以對3,5-二硝基水楊酸的吸附產(chǎn)生顯著影響，在去除3,5-二硝基水楊酸時可能存在由于物質(zhì)傳輸造成的限制，這有必要對這種現(xiàn)象進行分析。圖2a是以外擴散模型為基礎(chǔ)構(gòu)建的，從中可以看出，對于活性炭，在吸附過程中接觸長達6小時的實驗點處存在一條直線，這表明存在以下可能性，在任何溫度的過程中通過外部傳質(zhì)控制。圖2b顯示了粉末活性炭在3,5-二硝基水楊酸吸附中獲得的實驗數(shù)據(jù)的表示，其中在與吸附劑接觸1小時時觀察到一條直線。這表明使用活性炭粒子不存在外部傳質(zhì)問題，因為3,5-二硝基水楊酸會迅速從溶液中去除，擴散到表面。此外，這表明活性炭顆粒中的吸附過程可能是由于表面存在的官能團。根據(jù)這些結(jié)果，確定是否也存在內(nèi)部傳質(zhì)問題很重要，從而能夠確定3,5-二硝基水楊酸刪除過程是否受到這種現(xiàn)象的存在的顯著影響。

　　圖2：不同溫度下的外部傳質(zhì)分析(a)活性炭和(b)粉末活性炭。

　　粒子內(nèi)傳質(zhì)模型在圖3a中，只能看到兩個階段，外部擴散和平衡階段，因為沒有清楚地觀察到粒子內(nèi)擴散階段。這表明外部傳質(zhì)直接參與了3,5-二硝基水楊酸的吸附，導(dǎo)致3,5-二硝基水楊酸分子延遲從溶液中去除并被捕獲在活性炭表面，因此需要更多的吸附能，使得吸附容量與粉狀活性炭相比較低，這與本研究中平衡吸附研究中獲得的結(jié)果一致。

　　圖3：不同溫度下的外部傳質(zhì)分析(a)活性炭和(b)粉末活性炭。

　　對活性炭吸附中顆粒內(nèi)傳質(zhì)限制的分析(圖3b)表明可以觀察到兩個階段，外部擴散，這是一個短階段，因為它只發(fā)生在過程的第一個小時，給出了動力學(xué)常數(shù)比活性炭獲得的數(shù)量級高出一個數(shù)量級。后來，平衡階段被注意到。該結(jié)果表明吸附過程沒有外部和顆粒內(nèi)傳質(zhì)限制，但該過程受碳顆粒表面分子的捕獲控制。這項研究表明，吸附能力和3,5-二硝基水楊酸去除百分比更大的原因之一是使用粉末狀活性炭，因為它僅取決于表面上發(fā)現(xiàn)的官能團的參與;相反，對于活性炭，它不僅取決于吸附劑表面的參與，而且受外部質(zhì)量傳輸影響的限制，證實與粉末活性炭相比，必須使用更多的能量從溶液中去除3,5-二硝基水楊酸。

　　活性炭吸附處理3,5-二硝基水楊酸的研究中，使用顆粒和粉末形式的商用活性炭分析去除能力，并在動力學(xué)過程和平衡狀態(tài)下評估去除效果。在平衡研究中，發(fā)現(xiàn)吸附過程是在材料表面進行的，不受吸附質(zhì)和吸附劑之間只有單層相互作用的限制;這可能是由于3,5-二硝基水楊酸吸附的吸熱性質(zhì)導(dǎo)致溫度升高有利于該過程。就其本身而言，動力學(xué)研究表明活性炭和粉末具有不同的去除機制，具體取決于材料的形狀，特別是對于活性炭，除了存在外部傳質(zhì)問題外，還存在具有異質(zhì)吸附能的表面。另一方面，在粉末活性炭中發(fā)現(xiàn)需要兩個活性位點來吸附3,5-二硝基水楊酸分子，并且表明不存在對其吸附能力產(chǎn)生很大差異的外部傳質(zhì)問題。所得結(jié)果表明，與活性炭相比，粉末活性炭具有更好的3,5-二硝基水楊酸吸附能力，這可能是吸附材料形狀特征差異的結(jié)果。

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