活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　水中有重金屬的存在被認為是無機污染的一部分，由于其對環境的有害影響所以需要處理好再排放。為了選擇性吸附各種金屬陽離子，如Fe，Zn和Ca離子等。我們研究了從木質纖維素殘渣碳化得到的低成本的吸附劑經過簡便制備和改性制成活性炭。用來處理水溶液的Ca 2+和Zn 2+等凈水陽離子。用高錳酸鉀和硝酸對活性炭表面進行改性，以提高吸附效率。通過研究制備的活性炭的物理化學性質，測試每種金屬陽離子的吸附容量，來判斷新制成的活性炭的可以用性。

　　本期使用制備和改性活性炭的方法如下：

　　物理活化：將活性炭在400-600℃下加熱1-5小時。這里，應該提到的是，例如，在500℃下活化1小時的活性炭表示為普通活性炭。

　　硝酸活化：將活性炭與濃鹽酸混合。硝酸并在100℃下回流4小時。從該過程獲得的樣品表示為硝酸活性炭。

　　高錳酸鉀活化：將活性炭與高錳酸鉀混合，并在環境溫度下攪拌4小時。從該過程獲得的樣品表示為錳改性活性炭。

　　硝酸+高錳酸鉀活化：將活性炭與兩種活化劑混合，并在環境溫度下攪拌4小時。從該過程獲得的樣品表示為雙改性活性炭。

　　觀察到經由SEM(圖1)�？梢钥闯�，活性炭的表面形態是光滑的，而錳改性活性炭的表面形態是粗糙和不均勻的(彎曲的花瓣狀壁)。在陽離子金屬吸附過程之后，在該研究中未發現錳改性活性炭的表面形態的顯著變化。此外，還通過SEM-EDS觀察到金屬物質的存在。在改性活性炭上未發現塊狀二氧化錳顆粒，表明二氧化錳顆粒尺寸非常小并且很好地分散在活性炭表面上。此外，在進行吸附處理后，也確認了Mn，Fe，Ca，Zn等金屬種類的存在。

　　圖1：是鐵離子吸附過程后幾種活性炭的SEM圖像。

　　pH對活性炭吸附金屬陽離子的影響

　　使用錳改性活性炭后，pH對Fe 3 +，Fe 2 +，Ca 2+和Zn 2+吸附的影響在圖2顯示。錳改性活性炭吸附金屬陽離子的能力隨著溶液pH的增加而增加。在pH值較低的溶液中，應存在大量的H 3 O +，這可能會導致系統干擾，導致錳改性活性炭的吸附效率低。這里應該提到的是，在低pH值下，H 3 O +可能與二氧化錳反應(堿性)存在于活性炭上，導致對金屬陽離子的吸附能力降低。換句話說，隨著pH值的降低，錳改性活性炭的表面負電荷密度降低，帶正電的金屬陽離子和吸附劑表面之間的靜電排斥也被膨脹，這可能導致吸附容量的降低。此外，還發現當溶液中的pH值> 7時，Fe 3 +，Fe 2 +，Ca 2+和Zn 2+的吸附容量持續增加。這表明這些離子可能與OH -反應形成Fe(OH)3，Fe(OH)2，Ca(OH)2和Zn(OH)2沉淀在pH>7。因此，高的Fe 3+，Fe 2 +，Ca 2+和Zn 2+在pH>7的吸附能力沒有使用地磁觀測網造成的。這里，每種金屬陽離子的吸附容量差異很大，可能是由于離子尺寸，穩定性和其他因素的不同影響。基于這些結果，當使用錳改性活性炭作為吸附劑進行進一步研究時，沒有必要調節離子溶液的pH值。

　　圖2：pH對高錳酸鉀改性活性炭吸附金屬陽離子的影響。

　　金屬陽離子解吸的影響因素

　　使用錳改性活性炭對Fe 3 +，Fe 2 +，Ca 2+和Zn 2+的解吸效率在圖3顯示。當體積硝酸增加時，圖形上觀察到Fe 3 +，Fe 2 +，Ca 2+和Zn 2+的解吸百分比增加，表明大量存在硝酸可以拆除具有孤對電子和四種金屬陽離子的官能團之間的吸引力。這表明用硝酸洗滌后，廢吸附劑很容易再生解。然而，在使用高濃度的硝酸的情況下，也可能發生金屬陽離子和錨定的二氧化錳從活性炭表面的同時解吸附。在純水的情況下，因為沒有顯著檢測到來自錳改性活性炭的Fe 3 +，Fe 2 +，Ca 2+和Zn 2+的解吸，即使其量為調節純水。這表明金屬陽離子和錳改性活性炭之間的吸引力非常強。因此，選擇硝酸作為適用于Fe3 +，Fe 2 +，Ca 2+和Zn 2+解吸的化學品。

　　圖3：使用不同體積的硝酸從錳改性活性炭中解吸金屬陽離子。

　　成功地制備和改性了活性炭對金屬陽離子的吸附。發現活性炭有利于吸附極性Fe 2+分子，而非極性分子吸附在普通活性炭上，這是由于吸附劑表面的極性不同。錳改性活性炭表現出比硝酸改性活性炭更好的金屬陽離子吸附性能，表明羧基和二氧化錳在表面上的貢獻。Fe 3 +，Fe 2+吸附在錳改性活性炭上的Ca 2+和Zn 2+可以很容易地用硝酸溶液解吸，用于再生過程。pH范圍為約6至7適合于吸附所有金屬陽離子錳改性活性炭的吸附容量比普通活性炭多一倍。該研究有利于使用錳改性活性炭可以真正應用于廢水處理的實際過程。

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