活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭吸附處理纖維板工業廢水

　　纖維板是木纖維結塊，主要用于家具制造。該產品多年來一直在增長，因為它具有高阻力、穩定性和高質量的表面處理，再加上合理的成本。在纖維板行業，由于危險化學品的濃度很高，加工過程對水生環境有有害影響。在這項研究中，使用兩種不同類型的活化劑，即酸和堿，制成活性炭。確定并進一步討論了活化劑對活性炭的理化特性和吸附效率的影響。此外，還評估了活性炭對三種不同金屬離子的同時吸附，這些金屬離子代表纖維板加工工業廢水中的污染物。

　　纖維素、半纖維素和木質素含量

　　木質纖維素材料被認為是纖維素、半纖維素和木質素的混合物。纖維素和半纖維素由碳水化合物組成，構成全纖維素。纖維素是一種基于葡萄糖的線性聚合物，具有額外的氫鍵，使其堅硬、堅固且難以斷裂。另一方面，半纖維素存在于次生細胞壁中，由不同戊糖和己糖的微小、高度支化的鏈組成。同時，木質素是一種非常復雜的物質，具有三維交聯多酚結構，存在于纖維素和半纖維素細胞壁之間。

　　木質纖維素元素在活性炭的開發中起著重要作用。木質素含量高的材料開發出具有高大孔的活性炭，而纖維素產量高的材料開發出具有主要微孔結構的活性炭。在這些元素中，木質素具有顯著優勢，因為它可以抵抗化學和生物降解。木質素也被認為是燒焦材料中最豐富的成分。木質素含量似乎與固定碳含量相關，并在碳化后顯著增加。吸附過程也受到木質纖維素纖維化學成分的強烈影響，尤其是-OH和芳族基團。

　　場發射掃描電子顯微鏡

　　使用FESEM分析觀察了活性炭產品的浸漬和碳化溫度影響的形態變化。圖1a、b描繪了木質素在被激活之前的表面形態。它顯示出厚而平坦的圖案，中間有小裂縫。這歸因于大量的木質素，一種酚類聚合物，賦予植物結構強度，使其具有堅硬粗糙的木材狀結構。在圖1b中，發現前體具有壓實的表面，上面有淺而堵塞的孔隙圖案。這可能是由于烘箱干燥過程中預處理和加熱過程的反應。從圖1a、b，由于無孔表面的存在，表面清楚地顯示為不令人滿意的吸附材料。

　　圖1：活性炭原材料的表面形態。

　　使用不同化學堿的活化過程之間最顯著的差異是在活性炭表面形成的圖案，如圖2a、b所示。用KOH和HNO3浸漬的活性炭具有更均勻和梳狀的圖案，而用KOH浸漬的活性炭具有明顯更小的孔隙和稀疏分布。觀察到活性炭表面上類似的孔隙發育。研究，其中用KOH浸漬的圖案產生具有許多孔的海綿狀結構。在480℃下，用KOH活化的活性炭的孔徑為1.255至2.118nm。同時，用HNO3激活的活性炭中的孔徑范圍為4.9nm至6.8nm。

　　圖2：10HNO活性炭和10KOH活性炭的表面形貌。

　　活性炭對纖維板工業廢水批量吸附研究

　　在各種條件下研究了復合吸附劑的最佳吸附去除，包括ph值吸附劑用量和接觸時間，這是決定吸附能力的重要參數。

　　在分批吸附研究中，pH值是一個重要因素，它會通過改變所用吸附劑的表面電荷分布來影響吸附過程。在6和14的范圍內觀察到木材加工廢水中重金屬(Mn、Fe和Zn)的pH相關影響。圖3A、B清楚地表明，當纖維板加工廢水中的Mn、Fe和Zn分別使用pH8時，兩種活性炭均獲得最佳結果。

　　吸附劑用量是調查污染物定量吸收的重要因素。使用不同用量的10KOH活性炭和10HNO活性炭去除鐵、錳和鋅的結果分別如圖3C、D所示。對于吸附劑用量的影響，可以看到一個明顯的趨勢。正如預期的那樣，通過增加吸附劑的量，金屬的去除率也會增加，直到達到最佳階段。本研究中最高吸附百分比記錄在使用10KOH活性炭去除Mn時，當使用0.2g吸附物時為88%。相比之下，需要0.3g/L的10HNO活性炭才能去除87%的Mn。通過增加吸附劑用量，可以獲得更活躍的吸附位點。這解釋了吸附劑劑量增加導致更多污染物去除的趨勢。

　　接觸時間對吸附效率有顯著影響，可用于闡明吸附過程的動力學。理論上，接觸時間的增加會導致去除百分比增加，直至達到飽和水平。將10KOH活性炭和10HNO活性炭的最佳pH值和吸附劑用量設置為常數以確定最佳接觸時間。如圖3E、F所示，在接觸時間的前30分鐘內，記錄了使用活性炭從廢水中去除少量Mn、Fe和Zn。這種行為是由于攜帶不同類型污染物的水分子解離，需要一定時間才能有效發生反應。總體而言，結果表明，對于10KOH活性炭和10HNO活性炭，在最高去除百分比下的最佳接觸時間均為120分鐘。比較KOH浸漬的活性炭和HNO3浸漬的活性炭，10KOH活性炭顯示出更高的去除率，Mn為96.14%，Zn為70.05%，但Fe略低，為45.93%。這可能是由于10KOH活性炭的微孔結構。

　　圖3：(A)pH百分比對KOH浸漬活性炭去除Zn、Fe和Mn的影響，(B)HNO3浸漬活性炭去除Zn、Fe和Mn的pH值，(C)吸附劑用量對KOH浸漬活性炭去除Zn、Fe和Mn的影響，(D)吸附劑用量對HNO3浸漬活性炭去除Zn、Fe和Mn的影響，(E)接觸時間對KOH浸漬活性炭去除Zn、Fe和Mn的影響，(F)接觸時間對HNO3浸漬活性炭去除Zn、Fe和Mn的影響。

　　活性炭吸附處理纖維板工業廢水，從目前的研究結果可以得出結論，KOH和HNO3可以以更快的過程和更低的活化溫度生產活性炭。與未處理的原料相比，活化過程修飾了更多的官能團，如羥基、羰基和芳香族化合物，這可以提高吸附劑的性能。使用KOH從廢水中吸附金屬污染物的百分比更高，在pH值、吸附劑用量和接觸時間的最佳參數下，Mn為96.14%，Zn為70.05%，Fe為約50%。然而，未來可以考慮進一步優化溫度、金屬初始濃度和搖動速度等參數的最佳值，以獲得更詳細的結果。去除Mn、Fe和Zn的預測值與實際值顯示實際數據與從模型中獲得的數據完全一致。因此，本研究中實現的所有預測模型都可用于充分、準確地預測重金屬去除率。

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