活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產學研合作

　　活性炭在雙酚S吸附中的應用

　　雙酚S(BPS)是一種主要的環(huán)境內分泌干擾物，可引起生物內分泌系統(tǒng)功能異常。此外，在地表水、城市污水、沉積物、日用品中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)BPS。BPS的持續(xù)積累可能會增加對生態(tài)平衡的潛在風險。為了去除水溶液中的雙酚S，我們采用簡單有效的吸附法，由于活性炭其發(fā)達的內部多孔結構、相對較高的表面積、大的吸附容量和多種官能團而被用作不同領域的吸附劑，所以這次的吸附劑采用活性炭。

　　活性炭顯著的特性是受其制備條件的影響很大。響應面法是一種用于優(yōu)化制備條件的統(tǒng)計工具，通過以最少的實驗運行次數(shù)評估幾個自變量的交互作用。在這項工作中，響應面法被用來優(yōu)化蒸汽活化活性炭的制備條件。此外，對活性炭進行了表征，并研究了雙酚S的吸附動力學和熱力學，以評估活性炭的吸附性能。

　　活性炭制造工藝優(yōu)化

　　本次基于碘吸附能力作為響應優(yōu)化了活性炭的制備條件。通過求解自變量的偏導數(shù)獲得合適操作條件，制備的活性炭具有高碘值吸附率。根據(jù)FR的TG和DTG曲線分析后發(fā)現(xiàn)，熱重分析在氮氣氛中以10℃/分鐘的熱解速率進行，最終熱解溫度為800℃。FR的熱重法(TG)及其衍生熱重法曲線(DTG)表明在熱分解過程中觀察到四個失重階段。第一干燥階段(25-110℃)的重量損失主要歸因于水分的釋放。在第二個預熱過渡階段，發(fā)生在110至225℃的溫度范圍內，失重曲線幾乎變成一個平臺，這意味著熱解速率趨于相對穩(wěn)定。第三個熱解階段的重量損失約為52.19%，發(fā)生在225-450℃。此外，在338℃時產生了最大熱解速率為0.837%/分鐘的大失重峰，對應于大量半纖維素和纖維素的逃逸。在第四碳化階段(450-800℃)，根據(jù)FR的TG曲線發(fā)現(xiàn)約33.18%的殘留物，而DTG曲線保持水平，變化很小。明顯的熱重分析結果表明，這次的前體可以生產出高質量的活性炭。

　　圖1：碘吸附能力的3D表面模型圖(a)活化時間和活化溫度，(b)炭與水的質量比和活化溫度，(c)炭與水的質量比和活化時間。

　　碳質前驅體(a)和活性炭(b)的SEM顯微照片在圖2顯示。從圖2(a)中可以看出，碳質前驅體的表面形態(tài)粗糙，沒有更深的孔結構。然而，活性炭(b)顯示出具有許多小裂縫的不規(guī)則和不均勻的表面形態(tài)。在活化過程中，碳與蒸汽反應通過揮發(fā)組分的損失產生大量孔隙，顯著增加了活性炭的表面積。

　　圖2：SEM圖像(a)碳質前驅體和(b)活性炭。

　　雙酚S吸附到活性炭上

　　pH值是吸附過程中的另一個關鍵因素，它可能會影響水相中雙酚S的形式和活性炭的表面凈電荷。雙酚S的分布系數(shù)如圖3(a)所示，雙酚S的pKa為8.2。由于羥基在pH值下的去質子化，陰離子形式(雙酚S)的比例增加。當pH值為6時，陰離子形式(BPS)是主要的離子形式。雙酚S的零點電荷(pHpzc)是通過加鹽法測量的。如圖3(b)所示，活性炭的pHpzc約為8.23。這表明雙酚S在pH值為8.23時其表面帶有正電荷，而在pH值時其表面帶有負電荷。

　　圖3：(a)雙酚S的分配系數(shù)，(b)零電荷點(pHpzc)的確定。

　　pH值對活性炭從水溶液中去除雙酚S的影響，結果如圖4(a)所示。根據(jù)圖4(a)，隨著pH值從2增加到7，活性炭的吸附容量在一定程度的變化。在pH值為7時，活性炭對雙酚S表現(xiàn)出高吸附容量，這可能歸因于雙酚S的羥基和活性炭的羰基之間的氫鍵以及雙酚S的磺酰基和活性炭的羥基之間的鍵合。雙酚S與帶正電荷的活性炭之間的靜電引力也促進了pH、pHpzc時的吸附過程。此外，雙酚S與活性炭之間也出現(xiàn)了一定程度的π-π相互作用。

　　圖4：(a)pH值對活性炭吸附雙酚S容量的影響，(b)雙酚S在活性炭上的吸附機制。

　　帶負電荷的活性炭隨著pH值的增加而逐漸增加。通過實驗，原始雙酚S溶液的pH值表現(xiàn)出較高的吸附能力。因此，原始雙酚S溶液的pH值被選為所有其他批次實驗的合適pH值。

　　本次的活性炭吸附應用中，活性炭從水溶液中去除雙酚S。成功實施響應面法優(yōu)化制備條件，制成高品質活性炭。活性炭對雙酚S的吸附可以通過氫鍵、π-π相互作用和靜電相互作用來實現(xiàn)。此外，活性炭可被乙醇有效再生，5個循環(huán)后吸附效率的下降不顯著。雙酚S在活性炭上的單層飽和吸附容量比較大，這意味著這次制作的活性炭可以從水溶液中去除雙酚S，并且成本低吸附容量大。

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