活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭吸附去除柱狀藻紅

　　氣候變化和水生環境中營養物質可用性的增加增加了藍藻水華的發生，藍藻水華可以產生藍藻毒素，如圓柱藻蛋白酶等危害水環境。多項研究表明，活性炭吸附可有效去除溶解的藍藻毒素，而不會產生副產物。根據構成碳的顆粒的大小，這種吸附劑有粉狀和顆粒狀兩種形式。一般來說，使用粉狀活性炭投放比較方便，但是重復利用性不太好。與顆粒活性炭相比，它可以再生經濟性更強。

　　活性炭特性及吸附平衡試驗

　　活性炭的BET表面積和微孔和中孔的體積使用在-196℃下的氮吸附等溫線測定。一旦獲得吸附等溫線，通過應用Brunauer-Emmett-Teller和Dubinin-Radushkevich方程確定微孔的表面積和體積。認為碳樣品的微孔和中孔體積之和對應于在0.95(V0.95)的相對壓力下吸附的液氮體積。因此，通過從V0.9中減去微孔的體積來獲得中孔的體積。進行吸附平衡測試以確定每種碳的平衡時間。在其程序中，該標準表明碳與含有污染物的溶液之間的接觸時間為兩小時，考慮到該時間足以穩定吸附過程的平衡。但是，該標準表明需要進行研究以驗證該時間是否足以達到平衡條件。因此，在吸附平衡測定之前，進行了測試以確定達到吸附過程平衡所需的時間。

　　對于吸附測試，用每種活性炭制備懸浮液。為了制備懸浮液，將活性炭置于接地狀態，直到95%的碳樣品質量通過325目(0.044毫米)的篩子;然后將粒度降低的碳在烘箱中在150℃下干燥3小時。之后，將碳儲存在干燥器中冷卻至室溫。將干燥的碳稱重，并通過添加不含CO2的超純水制備懸浮液。在600mmHg的負壓下，懸浮液在真空干燥器中再保持12小時，以消除活性炭間隙中存在的空氣。

　　測定平衡時間的吸附試驗對每種活性炭進行兩次。使用了7個裝有500mL研究水的1L燒杯。每個燒杯接受一份活性炭懸浮液，以在水研究中獲得80mg/L的初始濃度。將燒杯放在一個罐子測試設備中，將混合速度保持在205rpm在恒溫23℃的環境中。采用的接觸時間為0.5、1、2、3、6、12和24小時。接觸時間后，將每個燒杯從攪拌中取出，立即通過孔徑為0.22μm的纖維素酯膜過濾研究水，以分離碳并中斷吸附過程。分析過濾后的水餾分的pH值和柱狀藻紅濃度。圖1顯示了平衡時間測定分析中評估的條件的示意圖。

　　圖1：平衡時間測試示意圖。

　　模擬吸附過程

　　在第一實驗階段獲得的吸附平衡測試的實驗數據適合等溫線模型Langmuir、Freundlich和Redlich-Peterson。將最適合吸附平衡數據的等溫線模型的參數值應用于HSDM模型，以模擬SBA柱中的吸附過程。該模型考慮了發生在兩個連續擴散步驟中的吸附過程，即：通過活性炭顆粒周圍的固定流體層擴散(膜擴散)和通過活性炭內部孔的擴散(表面擴散)，如圖2所示。

　　圖2：活性炭顆粒中的傳質-吸附過程示意圖。

　　吸附平衡測定

　　在所研究的濃度范圍內，活性炭顯示出更高百分比的柱狀藻紅去除率。較高的柱狀藻紅吸附能力可能與較高體積的活性炭中孔有關，這可能有利于柱狀藻紅分子的保留。基于柱狀藻紅的分子尺寸，0.911×1.174×1.218，具有更高體積中孔(直徑在2和50nm之間)的活性炭結構特征似乎更適合柱狀藻紅分子的吸附。吸附平衡實驗數據符合Freundlich、Langmuir和Redlich-Peterson等溫線模型。實驗數據的調整通過線性和非線性回歸進行，除了Redlich-Peterson模型，由于該模型具有三個參數，因此僅通過非線性回歸完成調整。圖3顯示了柱狀藻紅去除百分比作為木質活性炭和煤質活性炭濃度的函數。

　　圖3：柱狀藻紅去除量與水基質中應用活性炭濃度的函數關系。

　　活性炭吸附去除柱狀藻紅的研究中，研究了兩種活性炭，在工作臺規模上研究了它們對圓柱藻蛋白酶的吸附能力，旨在將其以顆粒形式應用于固定床吸附塔。碳的結構表征指出，木質活性炭比煤質的更富含中孔，具有更多的微孔結構與更大的比表面積。吸附等溫線顯示，木質活性炭比煤質表現出更高的柱孢霉吸附容量。另一方面，Langmuir模型更好地代表了木質活性炭對藍藻毒素的吸附。但是還需要評估不同濃度的柱狀藻紅和有機物對圓柱藻蛋白酶突破曲線的影響，因為它們的水平在水生環境中往往變化很大。

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