活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　四聚乙醛是一種有機化合物，用來處理農作物上的蝸牛和其他軟體動物，并廣泛用于農業。發現的問題是測驗人員在處理過的飲用水中發現了痕量的四聚乙醛，其濃度高于標準水平，所以通過涉及氯或臭氧的其他過程從水中去除四聚乙醛的常規處理是無效的，需要新的方法。本期內容我們研究了幾種材料的效率：粉末活性炭和摻雜納米二氧化鈦的活性炭催化劑，不同濃度的碳通過吸附和水溶液去除四聚乙醛。

　　活性炭的規格和納米催化劑的合成

　　在實驗中使用的活性炭是木質粉末活性炭。其他三種材料是活性炭摻雜二氧化鈦納米催化劑，材料一由十六烷基三甲基溴化銨改性的碳摻雜二氧化鈦納米催化劑，含1.5%碳，98.5%二氧化鈦，材料二含40%活性炭，60%二氧化鈦，材料三含80%活性炭，20%二氧化鈦。合成步驟如下：將丁醇鈦和異丙醇一起加入并攪拌0.5小時，并將十六烷基三甲基溴化銨加入到水中和異丙醇混合均勻。之后，將尿素溶解在混合物中，然后加入活性炭。然后將該混合物加入先前的丁醇溶液中并在室溫下攪拌24小時。然后，將混合物在80℃下干燥5小時，最后在300℃下煅燒3小時完成。

　　活性炭和納米催化劑的表征

　　圖1呈現活性炭的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，其示出了活性炭的結構和表面表征。圖像顯示碳顆粒的平均尺寸為約20nm，并且這些顆粒聚集在一起并形成平均尺寸為25μm的角形簇。孔隙率為17.78%。可以看出簇的表面是平坦的，粗糙的和多孔的。最后兩幅顯示的活性炭摻雜二氧化鈦的圖像。在嚴格攪拌下，將丁醇鈦溶液加入到含有活性炭的擬均勻溶液中，可能形成二氧化鈦，其中活性炭顆粒將其裝飾。

　　圖1：活性炭和二氧化鈦摻雜碳的SEM圖像。

　　批量光反應器系統測試

　　所有實驗均在間歇式反應器中進行，使用光反應器，紫外燈作為輻射源。光反應器是由不銹鋼制成的矩形盒子，在底部和頂部安裝有四個閥門。將UV-C燈垂直插入并從反應器頂部安裝，使其與內部溶液接觸。反應器被水冷夾套包圍，以防止樣品溶液在反應過程中被UV-C燈加熱。因此，保持約25℃(室溫)的恒定溫度。將反應器連接到來自空氣分接頭的空氣源，以確保活性炭或碳納米催化劑充分混合并均勻地分布在反應器內部從底部到頂部的溶液中。另外，將磁力攪拌器置于反應器內以攪拌樣品溶液并確保碳材料與溶液接觸。對于所有實驗，乙醛溶液的體積為500mL，活性炭或碳催化劑的負載濃度為0.2g L-1，反應時間為2h。

　　使用活性炭降解聚乙醛

　　在該組實驗中使用活性炭(0.1g)，在UV-C光下，在0.1,0.5,1,5和10ppm下，將不同制備的初始濃度的聚乙醛樣品用于2小時處理。圖2之前和由活性炭處理后聚乙醛的濃度進行比較。活性炭能有效地從溶液中除去了聚乙醛，特別是對于0.1,0.5和1ppm的較低初始濃度(p<0.05)。

　　圖2：通過活性炭處理聚乙醛的實驗數據。

　　在活性炭去除四聚乙醛的作為聚乙醛增加的初始濃度降低中可以看出，對于0.1、0.5、1、5和10ppm，較低濃度的乙醛的去除率分別為88%，95%，95%，82%和59%。除去0.5ppm和1ppm時，乙醛的去除率略低于0.1ppm。這是因為低濃度的吸附表明存在大量的吸附位點，但只有少量的吸附物，當超過一定比例的吸附劑和吸附質時，吸附減慢。因此，反應較慢并且需要更多的吸附時間可以更有效地除去聚乙醛。

　　使用摻雜二氧化鈦的活性炭催化劑降解聚乙醛

　　二氧化鈦摻雜的碳催化劑被認為對水中的四聚乙醛降解無效，特別是與活性炭相比。圖3示出了前和2小時處理被碳摻雜二氧化鈦后在溶液聚乙醛的濃度2在UV-C光納米催化劑。在較高的初始濃度的金屬醛溶液如5、7.5、10和12ppm時，與較低濃度的降解相比，降解稍微更顯著(2-9%)。

　　圖3：通過碳摻雜二氧化鈦催化劑處理聚乙醛的實驗數據。

　　僅對于制備的濃度高于5ppm的聚乙醛，處理前后存在顯著差異(p<0.05)，表明在0.1、0.5、1和2.5ppm的制備初始濃度下沒有去除聚乙醛。四聚乙醛在7.5和10ppm的去除率最高，為去除的15±5和13±5%，四聚乙醛的分別。這可以解釋如下：(1)光催化反應速度慢，污染物濃度低，需要更長的反應時間才能有效降解污染物。因此，在較低濃度(<5ppm)下，2小時反應時間不足以有效降解聚乙醛，(2)在高濃度下，納米催化劑表面上的活性位點將逐漸被聚乙醛分子填充。因此，去除乙醛會更低。

　　在活性炭，碳摻雜的幾種二氧化鈦納米催化劑的研究中，活性炭是最有效的降解四聚乙醛的材料。在0.1、0.5、1、5和10ppm的研究濃度范圍內，以及2小時的反應時間內，負載濃度為0.2g L-1的活性炭在低濃度下顯示出比高濃度更顯著的乙醛去除。增加初始的聚乙醛溶液濃度不會導致更有效的去除乙醛。隨著制備的聚乙醛溶液初始濃度的增加，活性炭對叔醛的去除率降低。使用活性炭通過吸附有利于除去聚乙醛，也可以在短時間去除甲醛。與活性炭相比，碳摻雜的二氧化鈦納米催化劑在研究的濃度范圍，催化劑負載濃度，光強度和反應時間內通過光催化去除溶液中的聚乙醛無效。

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