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

　　活性炭吸附消除鐵對環(huán)境的影響

　　工業(yè)化促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展，但不斷增長的工業(yè)設(shè)施加劇了污染物排放，影響了整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。水污染是工業(yè)化帶來的令人痛心的影響之一。數(shù)據(jù)表明近60%的地表水和50%的飲用水所含鐵離子，由于采礦活動、處理廠等活動造成部分地區(qū)水源中鐵含量極具上升，過多的鐵堆積可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問題。本次研究通過活性炭吸附技術(shù)進(jìn)行水中鐵的處理，實(shí)驗(yàn)過程中通過分批和固定床吸附去除鐵離子的可行性。

　　鐵的基本介紹

　　元素周期表中的第26位元素鐵是一種重要元素。它覆蓋了大約5%的地殼，是第二豐富的金屬，而在元素中僅次于氧、硅和鋁。元素鐵是過渡族金屬。基本氧化態(tài)為+2(亞鐵)和+3(三價(jià)鐵)，盡管也有+4(亞鐵基)和+6(高鐵酸鹽)氧化態(tài)。+2態(tài)的鐵化合物被標(biāo)記為亞鐵，由淺綠色Fe離子組成，而+3態(tài)的鐵化合物被標(biāo)記為三價(jià)鐵，并包含F(xiàn)e復(fù)合離子，它從黃色轉(zhuǎn)變?yōu)槌壬�，最終轉(zhuǎn)變?yōu)樽厣�，依賴于水解程度。在含氧水中，F(xiàn)e2+離子被氧化為Fe3+離子。氧化速率主要取決于H+離子濃度和溶液溫度。與三價(jià)鐵離子相比，亞鐵離子保留在溶液中的鐵量通常更高，與鐵元素相比，亞鐵元素往往具有更高的溶解度。

　　吸附除鐵

　　鐵的毒性很高，因此，有必要將這種污染物控制在排放水平。有許多技術(shù)可用于從飲用水和城市廢物中去除鐵，如離子交換和水軟化、超臨界流體萃取、曝氣氧化、微濾/超濾、曝氣顆粒過濾器和生物修復(fù)。這些技術(shù)的主要缺點(diǎn)是它們要么價(jià)格昂貴，要么沒有電就無法使用。吸附法是吸附物質(zhì)(吸附物)粘附在固體表面上。吸附物存在于流體相中，作為溶解在液體或氣體中的溶質(zhì)。由于其易于使用、設(shè)計(jì)簡單、能力強(qiáng)、成本低、副產(chǎn)物產(chǎn)生量低和治療效果好，它比其他治療方法更受青睞。這是一種表面現(xiàn)象，它需要廢水中的污染物聚集到吸附劑的表面。金屬離子在吸附劑上的這種沉積發(fā)生在吸附劑的界面處，從而產(chǎn)生二維結(jié)構(gòu)。這取決于吸附劑的特性，如表面電荷、表面積和表面功能。吸附也優(yōu)于其他去除過程，因?yàn)樗�的高效性以及再生吸附劑和回收吸附物的可能性。可以克服這些困難的方法之一是通過各種吸附劑吸附鐵。由于其多功能行為，活性炭已被確定在廢水處理中具有很高的活性。

　　活性炭結(jié)構(gòu)

　　活性炭的具體原子構(gòu)型尚不清楚，盡管它在水和空氣凈化方面具有重要的商業(yè)意義。通過熱解法制備的碳的構(gòu)型。她指出，這些碳可以分為兩個(gè)不同的組，即石墨化和非石墨化。活性炭衍生出的碳是非石墨化的，這意味著即使在非常高的溫度(≥3000℃)下，它也可以轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶石墨。中子衍射研究表明，非石墨化碳具有類似于富勒烯的骨架，如圖1所示。這種配置將闡明碳的微孔結(jié)構(gòu)及其其他特性。從x射線和中子衍射研究中獲得的衍射數(shù)據(jù)已根據(jù)由非六角環(huán)組成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡明，但無法提供任何明確的證據(jù)表明原子以五角環(huán)或六角環(huán)的形式鍵合。

　　圖1：彎曲片段的示意圖，包含五邊形和七邊形環(huán)以及六邊形。

　　除了活性炭的結(jié)晶和化學(xué)構(gòu)型外，其多孔結(jié)構(gòu)在各種應(yīng)用中也起著至關(guān)重要的作用。活性炭的吸收能力與表面積、孔體積和孔徑分布高度相關(guān)。它主要取決于原料的性質(zhì)和化學(xué)處理。活性炭的多孔結(jié)構(gòu)是在碳化過程中通過消除原材料中的非碳物質(zhì)產(chǎn)生的，該原材料產(chǎn)生具有基本孔結(jié)構(gòu)的固定碳塊，并在活化過程中進(jìn)一步發(fā)展。活化過程擴(kuò)大了碳化過程中產(chǎn)生的孔隙的直徑，同時(shí)產(chǎn)生了一些新的孔隙，從而形成了一個(gè)發(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu)。活性炭中的孔隙分布在各種尺寸和形狀上。所得活性炭的孔徑分布主要受浸漬程度的影響。活化和碳化條件是影響所得活性炭孔隙率類型的最關(guān)鍵參數(shù)。活性炭對孔徑的分類如下：大孔(>50nm)、中孔(2–5nm)和微孔(<2nm)。微孔可以進(jìn)一步細(xì)分為超微孔(<0.5nm)和超微孔(1-2nm)。中孔作為吸附物分子通過微孔網(wǎng)絡(luò)的通道。大孔沒有任何意義，但它們有助于引導(dǎo)金屬離子進(jìn)入中孔和微孔表面。活性炭的特征孔徑分布如圖2所示。

　　圖2：活性炭孔隙結(jié)構(gòu)示意圖。

　　實(shí)際工況對活性炭吸附鐵的影響

　　吸附過程在很大程度上取決于各種限制條件，例如pH值、吸附劑劑量、初始濃度、接觸時(shí)間和溫度。詳細(xì)研究這些參數(shù)對活性炭吸附鐵的影響，來確定最佳條件。

　　活性炭用于在2到6的幾個(gè)pH范圍內(nèi)從水相中排除Fe(II)離子。他們調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在pH<3時(shí)，去除效率最低。隨著溶液pH值的升高，去除百分比顯著增加，并且在pH5.0時(shí)達(dá)到最大去除率，因?yàn)樵谳^高的pH值下，H+的數(shù)量較少和更大的沒有。帶負(fù)電荷的配體導(dǎo)致更高的金屬吸附。重金屬消除在pH值5-6下保持恒定，但由于金屬氫氧化物沉淀，避免了對pH值6以上的研究。

　　吸附在活性炭上的鐵量是隨著接觸時(shí)間的增加而增加。由于溶液中吸附劑和金屬離子之間的高驅(qū)動力以及更高的no的存在，吸附速率在最初的90分鐘內(nèi)很快。開始時(shí)可及的吸附位點(diǎn)，緩慢減速并在150分鐘左右達(dá)到平衡。將運(yùn)行時(shí)間延長至6小時(shí)對金屬離子的殘留濃度沒有任何影響，表明在150分鐘時(shí)達(dá)到平衡，超過此時(shí)間，鐵離子的積累使其難以擴(kuò)散到吸附劑中。隨著微孔填充的增強(qiáng)，擴(kuò)散阻力增加，這與接觸時(shí)間的影響相矛盾。

　　金屬離子的去除是一個(gè)高度依賴于濃度的過程，可以被認(rèn)可為質(zhì)量傳遞的影響。吸附由分子在活性炭吸附劑邊界上的單層覆蓋來調(diào)節(jié)。因此，吸附過程最初非常迅速。在更高的濃度下，碳表面上存在的空位將被更多的吸附物包圍。因此，金屬離子不僅被單層吸附在活性炭吸附劑的外圍表面，而且還擴(kuò)散到活性炭顆粒的內(nèi)部。

　　色譜柱吸附研究

　　間歇吸附實(shí)驗(yàn)通常用于評估吸附消除金屬離子的效果以及最大吸收能力的測定。間歇式反應(yīng)器適用于中試規(guī)模，但不太適合工業(yè)化應(yīng)用。在填充床反應(yīng)器中進(jìn)行連續(xù)吸附以確定其工業(yè)適用性。它們易于操作，并且可以很容易地從實(shí)驗(yàn)室程序中放大。連續(xù)柱在平衡情況下不起作用。流速的影響會影響色譜柱中溶質(zhì)的流動行為。

　　活性炭吸附消除鐵對環(huán)境的影響，雖然鐵對人類來說是一種重要的礦物質(zhì)，但如果水中的鐵含量超過一定水平，就會導(dǎo)致水無法飲用，從而導(dǎo)致各種健康障礙。為人們提供安全飲用水是具有普遍意義的人類需求。因此，高效和價(jià)格合理的技術(shù)是必不可少的，使用活性炭來進(jìn)行水處理，去除水中的鐵來保障安全的飲用水。

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