活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　水中的硬度是指存在的二價離子，例如鐵，錳，鈣和鎂。然而，鈣和鎂是水硬化的主要問題。一般活性炭的生產都需要高活化溫度，這種方法比較損耗熱量導致成本比較高，導致高能量成本。因此，我們研究了在低溫情況下的一步熱解過程，以獲得用于除水硬度的KMnO 4改性的活性炭。由于KMnO4預處理的生物質是軟質材料，因此可以預期用于生產KMnO 4改性活性炭的活化溫度降低，這強化了活性炭對水中硬度離子種類的高吸附能力。

　　除水硬度活性炭的制備

　　將來活性炭原材料在110°C的烘箱中干燥3小時，然后通過用KMnO 4浸漬1小時后，將浸漬的預處理炭化料在烘箱中在110℃下干燥6小時。然后將干燥的浸漬過的預處理的活性炭原料在200，300，400和500℃下用溫度以10℃每分鐘的速率升高熱解，在電爐閉合坩堝中的部分氧氣沖擊下制成活性炭。將活化后的活性炭冷卻至室溫并儲存在干燥器中備用。

　　圖1：在300℃下制備并用不同濃度KMnO 4改性的活性炭SEM圖像。

　　熱解的未改性活性炭顯示出相對均勻和光滑的表面，帶有一些皺紋(圖1a)。可以看出，隨著KMnO 4濃度的增加，熱解產物的表面形態更加破壞(圖1b- d)。用KMnO 4改性后，熱解的改性產物的表面上覆蓋有小顆粒。假設小顆粒是MnO 2和其他氧化物。此外，還表明熱解的改性活性炭的表面填充有許多空腔并表現出粗糙度，這些特征隨著KMnO 4的增加而增加4濃度。然而，隨著KMnO 4濃度的增加，小顆粒的含量增加。結果表明活性炭的BET表面積和多孔體積隨著KMnO 4濃度的增加而降低，而平均孔隙率尺寸呈現出略微上升的趨勢。

　　鈣和鎂吸附實驗

　　使用具有不同硬度的蒸餾水制備該實驗的溶液，來進行批量進行活性炭對鈣和鎂的吸附實驗。通過使用溶解在蒸餾水中的CaCl 2和MgCl 2制備硬度值為40,100或200mg的溶液。硬度值40,100和200mg分別對應于軟水，中硬水和硬水。模型硬度溶液的pH值在8.0和8.7之間。吸附實驗方法是將改性活性炭(0.05-1.5g)加入到錐形燒瓶中的25cm 3 Ca 2+和Mg 2+溶液(40,100 和200mg dm -3)中。 。將懸浮液在120rpm和32±2℃的溫度下連續搖動。吸附后，通過以4000rpm離心10分鐘分離水相。通過FAAS用空氣-乙炔和陰極在Ca-或Mg-空心陰極燈上測定Ca 2+和Mg 2+濃度。

　　活性炭對水硬度的去除結果

　　對于吸附實驗，僅研究用3.0wt%KMnO 4熱解和改性的活性炭，能對于水處理足夠穩定并且以較小的熱解溫度生產。因此，選擇該樣品用于線束移除實驗。值得注意的是，熱解的未改性活性炭在水硬度溶液中相當不溶。這表明熱解的未改性活性炭的表面是非常疏水的。在活性炭對Ca 2+和Mg 2+離子的吸附效率中可以看出，Ca2+的吸附效率和Mg 2+離子增加了與具有相同硬度濃度的溶液增加吸附劑用量，并用硬度濃度的增加而降低對于相同的吸附劑劑量(圖2)。然而，吸附容量隨著初始硬度濃度的增加而增加。此外，可以看出Ca 2+和Mg 2+離子對用3.0 wt%KMnO 4改性的活性炭吸附效率與在相同劑量和硬度濃度下熱解的未改活性炭觀察到的值相比，改性的活性炭更高。此外，對于相同的劑量和硬度濃度，Ca 2+離子(圖2a)與Mg 2+離子(圖2b)相比顯示出更高的吸附效率，這表明活性炭對Ca 2+離子的選擇性更高。

　　圖2：活性炭對Ca 2+離子和Mg 2+離子吸附效率。

　　可以得出結論，用KMnO 4改性的活性炭能在低溫度下生產能減少熱能損耗降低成本。當觀察SEM的結果時，在用KMnO 4改性后更多地在活性炭生物質原料表面上覆蓋有小顆粒。這些形態變化是由于KMnO 4對生物質結構的破壞和熱解。由于較高的高錳酸鉀濃度，生物質的孔壁被腐蝕，原始微孔連續膨脹并且相鄰微孔的壁完全燃燒，導致中孔和大孔的形成。這些現象具有降低改性產物的孔容量和比表面積的效果。可以看出，孔隙率的平均孔隙率幾乎都是微孔。雖然，KMnO 4改性后的活性炭表面積和多孔體積降低了。但是，由于表面官能團的原因，活性炭從水中去除硬度得到了增強。

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