活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產學研合作

　　在水中有很多影響氣味的化合物，其中土臭素是一種氣味化合物，在通過各種微生物如藍細菌作為代謝產物生成后通常存在于地表水中。這種化合物都存在于經過飲用水處理的原水中，有時存在于公共飲用水供應的自來水中。在飲用水處理過程中必須去除這些化合物，即使?jié)舛鹊鸵矔�帶有氣味。由于活性炭的高孔隙結構，很適合吸附處理水中的化合物。所以我們研究了在沒有和存在天然有機物質的情況下土臭素在活性炭上的吸附特性。

　　一般的處理方式是使用臭氧氧化的顆粒或粉狀活性炭吸附用于去除微污染物，包括土臭素。吸附比臭氧氧化更簡單，活性炭廣泛用于飲用水處理廠。活性炭對土臭素的吸附能力較高，因為其表面疏水性和較大的比表面積。然而，吸附動力學非常緩慢，因此，需要較長的接觸時間才能達到吸附平衡。為了克服這個缺點，我們研發(fā)了超細粉末狀活性炭粒徑<1微米。盡管由于活性炭顆粒內的擴散距離縮短，活性炭中的吸附物吸收率得到了提高，但由于其吸附能力的提高，動力學仍然很慢，需要較長時間才能達到吸附平衡，所以需要在此基礎上研發(fā)更合適的活性炭材料。

　　活性炭材料的優(yōu)點

　　氧化活性炭在其表面和邊緣具有幾個含氧官能團，包括環(huán)氧化物，羥基和羧基。因此，這種活性炭具有高親水性并且很好地分散在水中。因為它的物理化學性質的，已廣泛研究了電子設備，傳感器，復合材料的應用。最近，氧化活性炭已被用作用于有機污染物，如染料，多環(huán)芳族烴等化合物。然而，其用于吸附除去土臭素的應用還不明確。因此，在本研究中，我們應用活性炭對土臭素的吸附去除，然后研究了天然有機物質對活性炭吸附這些氣味化合物的影響。

　　批量吸附實驗

　　在吸附動力學實驗中，將100mL等分試樣的水樣品加入110-mL小瓶中，然后加入活性炭分散體。用PTFE蓋封閉小瓶，手動搖動，然后在室溫下機械攪拌。還制備了不含活性炭的對照樣品。在吸附實驗期間，從小瓶中收集10mL溶液并以10,000rpm離心3分鐘。隨后通過0.45μm孔徑的膜過濾上清液，之后將濾液稀釋10倍，然后加入10mL溶液和3.5gNaCl。放入20mL小瓶中。接下來，在樣品中增加土臭素的濃度。最后計算活性炭上吸附的土臭素的含量。

　　吸附動力學

　　圖1a顯示吸附動力學研究中吸附在活性炭上的土臭素的量。在沒有天然有機物質的情況下，吸附的土臭素的量在15分鐘內達到2.5ng/mg，之后沒有觀察到變化，表明土臭素在活性炭上的吸附平衡在15分鐘內達到。由于活性炭的孔隙結構，當土臭素到達吸附位點時，沒有土臭素在活性炭上的吸附擴散，導致快速吸附。根據前面的方法，在天然有機物質存在下，在15分鐘內達到吸附平衡。圖1b表示殘留土臭素的比例。天然有機物質不影響土臭素去除，在不存在和存在天然有機物質的情況下觀察到22%的去除。此外，在不存在和存在天然有機物質的情況下，活性炭表現出對土臭素的快速吸附動力學，其中吸附平衡在15分鐘內達到。

　　圖1：(a)吸附的土臭素的量和(b)在沒有和存在天然有機物質的情況下活性炭上殘留的土臭素的比例。

　　吸附等溫線

　　吸附平衡實驗進行60分鐘，這足以根據動力學研究達到吸附平衡。圖3顯示了在不存在和存在天然有機物質的情況下土臭素在活性炭上的吸附等溫線。如圖2所示，在天然有機物質存在下，吸附的土臭素的總量增加。這些結果意味著天然有機物質可以增加活性炭的吸附位點。帶負電荷的天然有機物質增加，因為電排斥力，從而增加了活性炭吸附能力。

　　圖2：土臭素吸附等溫線。

　　在將土臭素吸附到活性炭上的過程中，氫鍵，疏水力和范德華相互作用可能有助于活性炭與每種氣味化合物之間的整體相互作用。氫鍵相互作用對中性pH下菲和三氯乙烯的吸附有很大影響，因為活性炭上的含氧官能團周圍形成水簇。在這項研究中，氫鍵相互作用可能部分地促進了土臭素在活性炭上的吸附，因為兩種化合物的化學結構各有一個羥基，我們在中性pH(7.3-7.5)下進行了吸附實驗。土臭素的羥基可通過氫鍵與活性炭上的含氧基團相互作用。然而，我們認為疏水相互作用是主要的，此外，土臭素的平面性也可能有助于更高的吸附量。

　　氧化活性炭由于其孔隙結構而表現出對土臭素的快速吸附動力學。在接觸15分鐘內達到吸附平衡。氧化活性炭與氣味化合物的反應可能主要通過疏水相互作用發(fā)生。因為土臭素的高疏水性活性炭能更快的吸附。天然有機物質不影響活性炭對土臭素的吸附動力學，并且天然有機物質可能通過活性炭吸附位點的增加而增加吸附的土臭素的量。由于活性炭的表面親水性較高，活性炭對這種氣味化合物的吸附能力大大降低。控制活性炭上含氧官能團的含量可以提高氣味化合物的吸附能力。

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