活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　如果在用于飲用水生產的源水中檢測到親水性有機微污染物，那么一般從水中除去這些微污染物的技術是使用固定床過濾器中的活性炭進行吸附。使用活性炭吸附的速率一般是通過活性炭內的吸附物擴散來確定的。中孔活性炭可促進擴散，獲得更高的吸附速率。本次我們使用兩種不同類型的活性炭對親水微污染物的吸附速率。此外，進行平衡研究以確定所選微污染物對活性炭的親和力。將孔擴散模型應用于動力學數據以獲得孔擴散系數。

　　人造有機微污染物，如工業化學品及其轉化產物，常見于地表水和地下水。微污染物可能通過污水處理廠的廢水和農田的徑流進入環境。在過去的幾十年中，在用于飲用水生產的水體中檢測到了數十種微污染物。由于人為有機化學品的使用增加，未來可能會增加微污染物對地表水和飲用水的污染。在固定床過濾器中吸附到活性炭上是在從地表水源生產飲用水中去除微污染物的主要步驟之一。雖然活性炭對疏水性化合物的吸附性能好，但是對親水性化合物的去除與高級氧化工藝相比，涉及吸附到活性炭上的技術具有成本效益，通常不會形成轉化產物。活性炭吸附技術的缺點包括活性炭再生的高能耗和緩慢的吸附動力學。然而，使用活性炭吸附仍被認為是從廢水和飲用水中去除微污染物的必要步驟。

　　在本研究中，我們評估了親水微污染物對兩種不同孔隙結構的活性炭的親和力，并建立了基于孔擴散的理論模型來描述吸附動力學。吸附等溫線和動力學實驗用作模型的輸入，以使用具有不同孔徑的兩個活性炭獲得不同尺寸的多個為污染物的表觀孔擴散系數。結果提供了微污染物和活性炭的哪些特征影響吸附速率的見解。

　　擴散模型

　　我們使用孔擴散模型來描述微污染物向活性炭內表面的質量傳遞。在我們的實驗中研究的所有微污染物都是親水的，其對活性炭的親和力通常低于疏水性微污染物。因此，預期孔擴散是主要的質量傳遞機制。在該模型中，我們僅考慮孔隙擴散用于孔隙內的質量傳遞。在孔擴散模型中，假設活性炭顆粒是球形的，具有恒定直徑和均勻分布的吸附位點。

　　活性炭材料準備和實驗方法

　　使用兩種不同孔隙的活性炭，使用椰殼和木質材料制成的活性炭經過氮吸附解吸等溫線測量結構性質。再將活性炭過篩以獲得直徑在0.5mm和1mm之間的顆粒。篩分后，用軟化水洗滌1小時，干燥并儲存干燥。在實驗之前，將活性炭在105℃下干燥備用，稱重并在軟化水中煮沸以除去夾帶的空氣。使用的多種微污染的混合物分別為脒基脲，六亞甲基四胺，碘帕醇，碘普羅胺，二甲雙胍和吡唑等。

　　吸附等溫線：進行吸附等溫線以研究所選微污染物對兩種類型活性炭的親和力。所有微污染物對椰殼活性炭表現出更高的親和力(圖1)，對木質活性炭的親和力一般。椰殼活性炭對某些微污染物的吸附容量可能高在我們的實驗中獲得的數據，因為施加的微污染物濃度太低而不能達到活性炭飽和。

　　圖1：活性炭對幾種親水微污染物的吸附等溫線。

　　微污染物在活性炭上的吸附動力學

　　在動力學吸附研究中，吸附速率與微污染物分子大小和活性炭孔徑有關。我們觀察到椰殼活性炭對小分子污染物在24小時內達到平衡，而對于大分子也能在24小時內達到平衡，然而木質活性炭則要120小時才能達到平衡。微污染物的分子越大活性炭的吸附速度越慢。活性炭的孔擴散系數通過將孔擴散模型擬合到的動力學數據來獲得，對于這些親水微污染物，椰殼活性炭的吸附速率高于木質活性炭(圖2)，這是由于椰殼活性炭中存在中孔，對于除大分子之外的所有微污染物的效果都比較優秀。

　　圖2：活性炭在動力學實驗中負荷微污染物。

　　活性炭的孔擴散系數

　　活性炭中吸附質的孔擴散系數與吸附質水分擴散系數有關，其中活性炭的曲折因子是描述活性炭結構的參數，用于將孔中的吸附物擴散率與游離溶液中的擴散率聯系起來。椰殼活性炭和木質活性炭曲折度是根據報道計算的d值和等式獲得的。計算椰殼活性炭的曲折度值在3到5之間，木質活性炭的曲折度值約為8。由于曲折是活性炭的一個屬性，它的值應該是不變的。然而，該參數是基于吸附物在活性炭表面上的吸附來確定的，因此吸附物和活性炭表面之間的相互作用可能會影響使用實驗數據獲得的值。曲折度值的變化也可以表明粒子內擴散不僅受孔擴散控制，而且表面擴散也可能在確定吸附速率中起作用。

　　研究了親水微污染物與兩種不同孔徑活性炭的吸附速率和親和力，確定了吸附速率限制步驟。結果如下：從飲用水中去除微污染物合適的活性炭的選擇不僅應考慮對目標化合物的親和力，還應考慮活性炭孔徑。需要具有中孔的活性炭以防止緩慢的動力學降低固定床中活性炭過濾器的效率。對于大多數親水微污染物，孔擴散系數與吸附質大小負相關，并且對于大分子的吸附物，這種相關性更強。活性炭的微孔阻礙了大分子的擴散，導致曲折度值高于普遍活性炭的曲率。吸附親和力涉及微污染物的分子結構，具有環狀結構的微污染物比具有線性或球狀結構的污染物更大程度地吸附到活性炭上。

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