活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　文章介紹本期研究的水處理廠使用活性炭和在空氣，水蒸氣和二氧化碳氣體條件下改性后的活性炭去除氯霉素的可能性。氯霉素被認為是水體環境的污染物，因為它們具有高生物活性，持久性和對生物累積的敏感性，導致生物降解較慢。在傳統的廢水處理方法通常對這些污染物效果不佳。另一個問題是它很容易被檢測出導致水處理不達標，所以我們需要開發一種能去除它的方法。

　　我們研究分析了從水和污水中去除這些特定污染物的不同方法。因此，已經測試了許多污水去除技術，包括光催化，化學氧化，光降解，膜過程和活性炭上的吸附。分析表明，污水，地表水和飲用水中存在抗生素存在問題。因此，建議對從水和污水中去除這些化合物的方法進行研究。在對于活性炭上吸附抗生素(包括氯霉素)的問題。需要專注于新的活性炭生產。然而，分析使用工業規模制造并已用于廢水處理和水處理的活性炭的可能性或提出改進這些活性炭的方法也很重要。所以本期研究方向1.評價活性炭性質對氯霉素吸附效率的影響，2.評價溶液的pH對吸附效率的影響，3.選擇氯霉素吸附等溫線方程并確定容量值，4.評價活性炭的高溫改性對吸附效率的影響。

　　研究中使用的活性炭

　　對用于水處理的五種市售活性炭進行氯霉素吸附試驗。這些包括粒狀活性炭，椰殼活性炭，果殼活性炭，粉狀活性炭與柱狀活性炭(原材料各不一樣)。

　　活性炭的改性

　　活性炭在回轉窯中在空氣，蒸汽或二氧化碳氣氛中在400℃下在空氣，蒸汽或二氧化碳氣氛中在800℃下進行改性。改性在1小時內進行。用來自空氣，二氧化碳或水蒸氣的氧氣改性活性炭導致在碳表面上形成酸性氧官能團。在800℃下用水蒸氣或二氧化碳氧化或活化活性炭​​導致形成堿性官能團。所提出的改性方法允許獲得表面的不同化學特性的吸附劑。在改性之前，用蒸餾水漂洗活性炭幾次。將碳在回轉窯中在400或800℃的溫度下改性1小時(圖1)。

　　圖1：活性炭高溫改性的試驗臺。

　　活性炭的研究

　　通過Boehm方法和傅里葉變換紅外(FTIR)光譜分析活性炭的化學性質，測定堿性和酸性官能團。該方法包括用不同功率的堿和堿性基團選擇性中和酸官能團。

　　活性炭于氯霉素吸附動力學

　　分析了在研究中使用的所有活性炭上從液中吸附氯霉素的動力學。假設當2小時期間濃度的變化小于初始濃度的0.5%時，發生達到吸附平衡的時間。吸附研究進行10小時，每0.5小時分析一次濃度(圖2)。發現當時使用的所有活性炭都建立了吸附平衡。

　　圖2：氯霉素在活性炭上的吸附動力學。

　　工藝條件的影響

　　分析了活性炭對吸附劑用量和pH值溶液對氯霉素吸附水平的影響。由于改變吸附劑和吸附物的性質的可能性，溶液的pH值可能對吸附過程產生影響。氯霉素在pH低于2且高于9時水解。發現溶液的pH對氯霉素吸附效率的影響對于該參數而言不太重要(圖3)。與接近中性(pH=6和8)的溶液相比，從酸性(pH=2和4)和堿性(pH=10)溶液獲得略微更好的吸附結果。pH=6和8的溶液的較低吸附可能表明靜電相互作用是吸附機制之一。pH值對吸附水平的影響是微不足道的，但它可能表明在從不同pH的溶液吸附過程中具有決定性作用的各種機制。由于羥基的離解，氯霉素溶于水，具有正電荷。在堿性溶液中可以更強烈地吸引活性炭的帶負電荷的表面。在低pH下，氯霉素分子中的硝基與活性炭的帶正電荷的表面之間的供體-受體機制可以是決定性的。其他負責吸附氯霉素的機制可能是電子受體苯環與活性炭電子供體表面羰基之間的相互作用和活性炭π電子與氯霉素芳環中π電子之間的π-π相互作用。活性炭對氯霉素的吸附機制取決于溶液的pH值。

　　圖3：溶液pH對在活性炭吸附氯霉素的影響。

　　氯霉素在改性活性炭上的吸附

　　活性炭在400和800℃的溫度下的改性在分數技術規模制備的試驗臺上進行。為了表征改性活性炭，確定了以下內容：比表面積和多孔結構，酸和堿官能團的數量，FTIR光譜。活性炭的改性導致比表面積，微孔體積和通過Bohem方法測定的酸和堿基團數的增加。然而，這些差異并不大，可高達百分之幾。對于在400℃下改性的活性炭，酸基團的數量增加，而在800℃下，該數量減少。還觀察到FTIR光譜的微小變化。在所有改性的活性炭上，氯霉素吸附高于未改性活性炭(圖4)，基本是未改性活性炭的兩倍。

　　圖4：氯霉素吸附在改性活性炭上的等溫線。

　　實驗結論

　　1.市售的常規污水處理活性炭可用于從水中除去氯霉素，因為它們具有相當高的吸附能力。

　　2.根據其吸附容量，活性炭的順序與它們的順序一致，即根據孔的總體積和微孔和中孔的總體積。這表明體積孔隙填充現象的重要性。

　　3.還發現了pH對活性炭的吸附效率的不顯著影響。觀察到與接近中性的溶液相比，酸性和堿性溶液的吸附更好。大量吸附是從pH=2的溶液中獲得的，但與pH=6的溶液的吸附相比，所獲得的吸附容量僅高9%。

　　4.對于氯霉素，活性炭經過一些列改性，具有更高的吸附能力。對于在800℃下在二氧化碳氣氛中改性的活性炭，獲得了較高的單層容量，并且幾乎是未改性活性炭的兩倍。在800℃下改性的活性炭的特征在于增加的比表面積，微孔體積和堿性的需氧基團數量的增加。

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