活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭對水中氯代有機化合物的吸附

　　氯化有機化合物具有毒性，嚴重危害生態環境。目前，含氯有機化合物主要用于工業脫脂和干洗，但由于儲罐處理程序不當，它們被釋放到環境中，使含氯有機化合物污染土壤和地下水成為普遍問題。這些含氯有機化合物的后續處置通常發生在危險廢物處置場，尤其是在城市工業區。在從環境中去除有機化合物的各種處理技術中，吸附是一種簡單有效的方法。吸附操作過程更簡單，成本更低，污染更少。在這項研究中，研究了三氯乙烯和全氯乙烯在兩種不同吸附劑(硅膠和活性炭)上的吸附情況。

　　本研究根據吸附理論對實驗數據進行處理，并使用Langmuir和Freundlich模型進行分析，以解釋氯化有機化合物在硅膠和活性炭兩種吸附劑表面的吸附行為。根據推導結果，我們可以了解兩種吸附劑的吸附模式類型。此外，本研究涉及使用模型來預測吸附劑的去除效率和吸附劑的使用量，并將誤差與實驗值進行比較。此外，根據吸附實驗的結果，結合實際污染地下水場地的現場修復評價，分析了所需吸附劑的質量和經濟成本。最后，根據吸附結果估算修復過程中吸附劑的用量，進而提出修復過程中使用不同吸附劑的最佳方式及其成本估算。本研究希望根據實驗室的吸附結果快速估算污染修復成本。

　　氯代有機化合物

　　氯化有機化合物即氯化脂肪烴，常見的種類有四氯乙烯、三氯乙烯、氯乙烯等。這些化合物都是氯化乙烯，具有高揮發性、低可燃性、低沸點和低爆炸性等特點。其中，三氯乙烯和全氯乙烯是高度氧化的(圖1)。還原降解反應容易獲得電子，氧化反應不易放出電子。因此，三氯乙烯和全氯乙烯在有氧環境中具有較高的化學穩定性。此外，三氯乙烯和四氯乙烯是地下水污染中最常見的氯化有機化合物，其氯化副產物包括1,1-二氯乙烯、順式-1,2-二氯乙烯、反式-1,2-二氯乙烯和氯乙烯，對環境構成潛在威脅。

　　圖1：(a)三氯乙烯和(b)全氯乙烯的結構。

　　活性炭吸附實驗

　　考慮到地下水的平均流速很慢，每天只有1-2m，因此本研究中的所有吸附實驗均不包括活性炭吸附劑添加后的外部因素(如搖動、攪拌等)。相反，吸附劑在沉淀過程中無需攪拌即可與水樣發生反應，以達到與地下水環境相似的實驗條件。將1微升三氯乙烯儲備溶液(純度≥99.5%)和全氯乙烯儲備溶液標準品(純度≥99.5%)添加到1mL甲醇溶劑稀釋制成濃度為1424mg/L−1的三氯乙烯標準儲備液和濃度為1625mg/L−1的全氯乙烯標準儲備液。在高濃度吸附實驗中，將400、450、500、550、600、650和700μL的標準儲備液分別加入100mL超純水中。搖勻后，加入10g硅膠，靜置5、10、20、30、60、120分鐘，測定吸附后水中的含量。此外，在低濃度吸附實驗中，將40、45、50、55、60、65和70μL的標準儲備液分別加入100mL超純水中。搖勻后，加入10mg活性炭，靜置5、15、30、60、120、180、300秒，測定吸附后水中氯代有機化合物含量。在進行吸附實驗時，室溫控制在20℃以下，避免氯代有機化合物因蒸發而損失。為了避免玻璃器皿/小瓶/瓶蓋引起的吸附現象，每個吸附實驗都會有一個對照組。即在已知濃度的溶液中，不加吸附劑，最后上電腦計算回收率，將回收率控制在90%以上。

　　Langmuir和Freundlich等溫線吸附模式

　　吸附等溫線通常用作吸附分子與吸附劑表面相互作用的計算工具。本研究采用Langmuir和Freundlich等溫吸附模型對吸附實驗數據進行回歸和預測。從數據的線性回歸中，可以導出兩種模式的所有參數。這些方程可用于解釋不同種類的吸附劑(硅膠和活性炭)去除吸附物的能力。將硅膠(圖2)和活性炭(圖3)對氯代有機化合物的吸附數據代入Langmuir和Freundlich等溫吸附方程，線性回歸為使用1/qe與1/Ce執行。根據圖2和圖3中的回歸方程，計算等溫線的參數。結果表明，Langmuir和Freundlich等溫線線性回歸的r2值吻合較好，均大于0.95。

　　圖2：(a)活性炭和(b)硅膠吸附氯代有機化合物的實驗數據，符合Langmuir等溫線的線性形式。

　　圖3：(a)活性炭和(b)硅膠吸附到氯代有機化合物上的實驗數據，符合Freundlich等溫線的線性形式。

　　研究進行原位修復

　　預測了去除局部有機污染物所需的吸附劑(硅膠和活性炭)的質量和所需的去除成本。受有機物污染的地下水深度為15–30m。將污染案例中的初始污染濃度和水體積代入Langmuir和Freundlich模型以計算用作吸附劑所需的硅膠和活性炭的質量和用量。用活性炭作為滲透吸附屏障的吸附劑，應用于地下水的修復，取得了良好的去除效果。因此，在本研究中，通過硅膠將氯代有機化合物濃度降低至低濃度，然后加入活性炭。

　　活性炭對水中氯代有機化合物的吸附的究結果表明，硅膠和活性炭對含氯有機物的吸附能在短時間內達到吸附平衡。隨著污染物濃度的增加，吸附劑的平衡吸附容量也增加，硅膠和活性炭對全氯乙烯的去除效率優于三氯乙烯。根據等溫線吸附常數，兩種吸附劑對TCE和PCE的吸附實驗中Langmuir常數的R L值在0-1之間。Freundlich常數的n值均大于1，結果表明兩種吸附劑均有利于三氯乙烯和全氯乙烯的吸附。此外，活性炭吸附的三氯乙烯和四氯乙烯的弗氏常數值高于硅膠。這一結果可能與活性炭比硅膠具有更高的比表面積，因此其吸附能力更好有關。

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