活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭除廢水中的活性黑5染料

　　污水污染是一個主要的環境問題，其中一個關鍵問題是存在劇毒物質，特別是可能導致致癌問題的合成染料。這些類型的廢水可歸類為污染物含量高的工業廢水。染料分為非離子型、陽離子型和陰離子型三種。這三者都溶于水，即使少量也可能有害。著色劑可分為天然染料和合成染料，合成染料是更常用的類型，有多種顏色可供選擇。合成染料按其特定用途分類，即活性染料、直接染料、分散染料、堿性染料和還原染料。它們還根據其化學結構和不同的官能團進行分類，例如偶氮、蒽醌、硫、酞菁和三芳基甲烷。許多行業使用大量合成染料，這些染料在染色過程中可能會釋放到廢水中，因為它們具有頑固性、不可生物降解性、對氧化劑穩定和有毒，因此會對水生生物造成嚴重損害。已發現活性炭吸附是一種非常有效的處理方法。在這項工作中，制備了一種由活性炭和氯化鋁組成的新型吸附材料，用于在各種實驗條件下去除商業陰離子和蒽醌活性染料，即活性黑5染料。

　　活性黑5是一種常用的陰離子偶氮染料(C26H21N5Na4O19S6，分子量：991.82g/mol)(圖1)。活性染料能夠與所應用的纖維發生化學鍵合，形成共價鍵。它們廣泛用于紡織行業，為棉和人造絲等纖維素纖維染色。染色和紡織品生產等工業過程中合成偶氮染料的存在對水資源構成重大威脅，因為它們會在水生環境中長期存在，并可能具有誘變和致癌作用。這些染料是一種危險品，會對環境造成嚴重威脅。

　　圖1：活性炭黑5(C26H21N5Na4O19S6)的結構式。

　　鋁改性活性炭的合成

　　椰殼被用作合成活性炭的原料，然后用氯化鋁進行改性。簡而言之，將0.8g的AlCl3添加到25mL中的5.0g活性炭樣品中，以實現其改性。首先混合內容物(在25℃下1小時)，然后進行超聲處理(2小時)、過濾并用蒸餾水洗滌。然后將混合物在60℃下干燥并煅燒5小時(500℃)以獲得鋁復合改性活性炭。在室溫下冷卻后，制備的吸附劑即可用于以下實驗。

　　吸附實驗

　　進行實驗以研究改性活性炭對活性黑5吸附的有效性。將吸附劑引入含有10mL不同初始濃度的活性黑5染料溶液的試管中，保持溫度。使用架空搖床和旋轉器以80rpm的速度攪拌混合物。在實驗過程中，在保持其他參數不變的情況下，獨立地操縱各種實驗因素。這些因素包括從2到10的pH水平，從2到300mg/L的活性黑5染料的初始濃度，從0.2到1.0g/L的吸附劑劑量(通過將0.002-0.01g添加到10mL的工作體積)，接觸時間從5分鐘到240分鐘不等。吸附后，從管中收集樣品并通過尼龍過濾器(0.45μm)，保存濾液用于測定。

　　活性炭用量的影響

　　進行了批次實驗以研究特定材料去除活性黑5染料的潛力。在進行的實驗中，改變了材料改性活性炭的用量，并測試了其從初始濃度為100mg/L、pH值為2、溫度為25℃的水溶液中吸附活性黑5的效率，以及接觸時間24小時。改性活性炭在去離子水中的用量在0.2和1.0g/L之間。此外，使用未改性的活性炭進行了類似的實驗，以比較兩種材料的效率。圖2中的曲線表明，活性黑5的去除率隨著劑量的增加而增加。例如，隨著活性炭用量的增加，去除百分比從31%(使用0.10g/L)增加到99%(使用1.0g/L)。此外，數據顯示0.8g/L的用量導致82.5%的活性黑5去除率。與未改性的活性炭相比，其吸附能力在改性過程中得到增強，實現的更高活性黑5去除率證明了這一點。

　　圖2：與活性炭相比，改性活性炭用量對活性黑5吸附的影響。

　　吸附再生研究

　　通過回收研究調查了改性活性炭的再利用以從廢水中去除活性黑5。進行實驗時，最初使用100mg/L活性黑5和0.8g/L的改性活性炭，pH值為2。在第一個循環之后，使用0.01M/NaOH溶液對所使用的改性活性炭顆粒進行處理大約2小時。此后，用蒸餾水沖洗顆粒以除去任何殘留的堿。選擇被認為可接受的重復時間，以便能夠在后續循環中重復使用吸附劑。研究結果如圖3所示。在用1M/NaOH處理成功再生后，解吸的改性活性炭能夠重復使用多達四個循環以去除活性黑5。活性黑5的去除百分比在第一個循環中約為77.3%，在第四個循環后下降至約45.9%。總的來說，這項研究證明了將改性活性炭吸附劑重復使用四個循環以從廢水中去除活性黑5的潛力。

　　圖3：改性活性炭上的活性黑5在堿性pH值下再生后進行四個吸附-解吸循環。

　　活性炭除廢水中的活性黑5染料，對改性活性炭吸附劑的性能進行了評價，結果表明在pH值為2.0±0.1時，添加量為0.8g/L時，去除率達到82.5%，添加量為1.0g/L時，去除率達到82.5%。此外，在pH值2.0下，改性活性炭材料的帶正電表面將通過靜電力被吸引到活性黑5。在酸性pH水平下，活性黑5由于磺酸鹽基團的去質子化而表現為陽離子，導致活性炭和吸附物之間的靜電吸引。活性炭的吸附是多層的，更接近化學吸附，最后，改性活性炭成功再生并重復使用四個循環。

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