活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭吸附去除水中的硼

　　硼是一種微量元素，由于其原子半徑小和高電離能，在自然界中傾向于通過共價鍵形成化合物。水溶液中的硼通常以多硼酸鹽陰離子物質、中性硼酸分子和單帶負電荷的硼酸鹽的形式存在。在pH6-9范圍內，低濃度硼主要以中性硼酸分子和單電荷硼酸根陰離子的形式存在于水溶液中。硼酸易溶于水所以很容易就會污染水環境，本次的研究是使用活性炭進行改性研究對硼的吸附。

　　硼通過礦物提取、煤炭燃燒、含硼砂產生的清潔劑的廢水排放、硼肥等應用以及硼化物處理的木材的副燃燒進入水環境(圖1)。由于人類活動的影響，已經觀察到地下水和地表水中的硼濃度增加。硼在水生環境中的存在會對環境造成很大的影響。但從工業設施對硼的需求增加，水資源中硼的含量增加，水質標準變得更加嚴格。所以需要去除水中的硼來修復環境。脫硼方法包括膜分離、活性炭吸附、(電)凝聚和沉淀、萃取以及這些方法的組合。

　　圖1：水中硼污染的各種來源。

　　吸附技術

　　吸附技術涉及將硼從水中轉移到活性炭表面。根據吸附原理，吸附可分為物理吸附和化學吸附。物理吸附主要基于范德華力，而化學吸附主要基于硼與吸附劑表面的官能團之間形成共價鍵或離子鍵。在實際應用中，去除硼的化學吸附技術由于其對背景陰離子和陽離子的濃度不敏感且具有良好的選擇性而占據主導地位。吸附通常用于處理高濃度硼溶液，例如工業廢水和鹵水。海水中硼的濃度較低，因此需要較長的吸附平衡時間。

　　硼的毒性作用

　　硼是自然界七大必需微量元素之一，少量的硼攝入有利于植物細胞膜保持其結構和功能的完整性，并維持正常的發育和物質運輸。硼不僅是生物體必需的微量元素，也是許多工業的重要原料，如制造業和農業。根據近期的統計數據，僅硼酸鹽就有300多種應用，全球四分之三以上的硼消耗量來自陶瓷、洗滌劑、化肥和玻璃(圖2)。在生產過程中，硼酸鹽是制造各種特殊玻璃和陶瓷的主要成分。在高級玻璃和玻璃纖維的生產中使用硼硅酸鹽可以提高玻璃的耐熱性和透明度，有利于提高其化學穩定性以及抗機械和熱沖擊的能力。在瓷釉中加入硼可以防止脫釉和開裂，提高產品的光澤度和耐久性。在瓷體中加入硼酸鹽有利于降低能耗，提高產品的機械強度。硼還用于生產微合金鍛鋼并提高鋼的沖擊強度。在農業領域，硼被用于生產含硼化肥等產品。但是灌溉水中的硼含量升高會直接導致動植物中毒造成危害，所以一定要控制排放。

　　圖2：各行業硼消耗比例。

　　碳基材料除硼對比

　　碳基材料作為吸附劑，具有可用性高、環境友好、吸附能力強等優點。常見的碳基材料包括活性炭、氧化石墨烯和碳納米管。活性炭具有發達的孔隙和巨大的比表面積，是水處理領域應用最廣泛的吸附劑之一。活性炭擅長吸附非極性物質，吸附極性吸附物(如硼)時表現不佳。因此，需要修改以使活性炭能夠加強硼的吸附，我們比較了七種不同活性炭對硼的吸附性能，研發了一款活性炭具有最佳的除硼效率。為了進一步提高其吸附能力，活性炭用多元螯合物(甘露醇、木糖醇和葡萄糖酸鈉)進行了改性。用甘露醇修飾的活性炭表現最有效。硼去除效率的提高是由于多元螯合物的改性增加了活性炭的孔體積并增加了表面羥基官能團的數量。經過長時間的測試分析得出，在靜態體系中，酒石酸浸漬的活性炭的硼吸附能力最強，而在動態體系中，甘露醇浸漬的活性炭的硼吸附能力最強。活性炭價格便宜，易得，使用效果好。

　　氧化石墨烯在其表面具有豐富的親水基團(例如羥基和環氧羧基)，這使其具有用作硼吸附劑的潛力。與傳統的活性炭相比，碳納米管具有更高的比表面積、強度、柔韌性和結構均勻性。比較了活性炭和用聚乙烯醇改性的納米碳管對硼的吸附性能。由于聚乙烯醇分子結構中含有羥基，用PVA改性可以提高吸附劑的吸附能力。然而，聚乙烯醇改性引起了活性炭微孔的明顯堵塞，而納米炭管的孔被較少堵塞。結果還表明，聚乙烯醇改性的活性炭和納米碳管的硼吸附能力隨著pH值的增加而增加。

　　活性炭吸附去除水中的硼，我們對比了多種活性炭材料，測試出了一款高性能硼吸附專用活性炭。并且對活性炭進行了多種改性處理，根據吸附工況測試了動態和靜態情況下活性炭對水中硼的吸附效果。發現活性炭在經過改性處理后能很好的除硼，并且動態和靜態吸附環境下改性的方法也不一樣，這為工業上除硼提供了一些參考。

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