活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　使用活性炭吸附劑處理環境中的污染物是現在普遍的處理方法，主要是因為活性炭具有各種具有不同表面特征的形式。通過操縱活性炭的物理和化學表面特征(例如表面積，孔徑，孔體積和官能團)來實現不同的表面性質。為了用于從水溶液中吸附金屬離子，所制備的碳的雖然物理結構很好了但是化學性質不是很大，需要重新改性。有時在活性炭上進行化學再活化或二次處理方法以進一步操縱表面性質以改善其去除期間污染物的選擇性和吸附效率。因此，在本期我們研究各種濃度的無機酸比如硫酸、磷酸或硝酸為活性炭改性中的活化劑，測試那種活化劑能增強活性炭對鉻去除的效果。

　　掃描電子顯微鏡分析

　　掃描電子顯微鏡圖像顯示在圖1a-h中。活性炭的磷酸處理導致具有可見孔隙率的材料(圖1a-c)。然而，仔細觀察后，孔隙結構和尺寸是不同的。20%濃度改性后的活性炭具有稍微細長的孔，40%表現出均勻的圓形孔，而60%顯示出細長和圓形毛孔的混合。這些觀察結果表明，不同濃度的磷酸活化的活性炭具有不同的物理屬性。在這種情況下，磷酸是活化劑，并且在加熱時產生孔道，因為它從碳中逸出，從而帶走一些萃取劑。圖1d描繪了具有小孔的粗糙紋理，圖1e顯示了類似巢的類型的孔，圖1f顯示了孔的破壞和變寬。孔結構和孔體積的變化可歸因于活化劑的強度增加。濃度較高的硝酸會破壞表面基團。因此，需要使用最佳濃度的活化劑來防止損害吸附劑的表面特性。濃度太高可能導致結合官能團的提取，使吸附劑吸附性差。

　　圖1：不同濃度的三種無機酸改性后活性炭的掃描電子顯微鏡圖像。

　　測試多種活性炭對鉻的吸附情況

　　pH值是影響吸附劑的一項重要指標，對于硫酸和硝酸改性的活性炭，pH值從1增加到9，鉻的去除率降低，在pH1下去除百分比最高。對于硫酸經處理的活性炭的趨勢略有不同，最大去除率為pH4。低于pH2硝酸改性的活性炭去除率最高，但從pH4開始，硫酸改性活性炭表現最佳。用硫酸改性在活性炭表面上賦予一些硫醇基團。然而，硫酸改性的碳去除鉻的百分比較低意味著鉻對硫基配體的親和力較低。這可以基于軟堿硬酸關系來解釋。鉻是硬酸，而硫是軟基。

　　圖2：PH的影響。

　　吸附物與活性炭的接觸時間對吸附效果的影響很大，在接觸過程中鉻的去除從0到10分鐘急劇增加，然后從10分鐘減慢到120分鐘，最終在硫酸改性的吸附劑中從120到720分鐘達到平衡。用磷酸改性的吸附劑觀察到相同的趨勢，但是在60分鐘時更早達到平衡，而對于硝酸改性活性炭，平衡似乎在240和480分鐘之間達到。去除百分比沒有明顯差異從120到720分鐘。除了更快的去除動力學之外，磷酸改性的吸附劑顯示出比硫酸和硝酸改性的對應物更高的去除百分比，從0到120分鐘。據預測，無機酸在浸漬過程中會穿透活性炭孔隙，一旦加熱到高溫，它們就會通過孔隙與萃取劑一起逸出，留下互補的孔隙。留下的通道通過與所得官能團的物理和化學相互作用幫助吸收吸附物。出于均勻性原因，選擇12小時并用作后續實驗的最佳時間。

　　圖3：接觸時間的影響。

　　各種改性活性炭的吸附能力比較

　　對鉻實現有效吸附所需的較高劑量可能意味著用硝酸，硫酸對活性炭進行化學氧化和磷酸除去吸附位點。具體地，當考慮所用的劑量和初始濃度時，硫酸和磷酸改性產生的活性炭與沒改性的相比具有較差的性能。因此，基于使用不同前體的研究，不能推廣酸改性對活性炭性能的影響。對于不同濃度硫酸磷酸改性和20%硝酸改性活性炭，在pH 1下各種吸附劑的處理能力都超過75%最大的硝酸改性活性炭達到了98%，而磷酸改性活性炭的那些性能最大。總的來說，20%硝酸改性的活性炭才是去除鉻的最佳吸附劑。

　　使用不同濃度(20-60%)的硝酸，硫酸和磷酸化學氧化的活性炭評估從水溶液中生物吸附鉻以確定最佳活化劑。根據實驗結果表明，活化劑的濃度以及改性劑的類型起著對比作用，因此不能做出一般性假設。每個案例都值得研究，目前的研究首次表明三種酸對活性炭的改性是如何影響鉻的去除的。由于所產生的活性炭的化學復雜性，沒有一種模型可以解釋去除機理。因此，多層吸附等溫線更好地說明了制備的活性炭對鉻的吸附。最后的各類型的活性炭比較結構發現，20%硝酸改性的活性炭能最大量的吸附水中的鉻。

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