活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　廢水中常見的有機成分包括：蛋白質，碳水化合物，脂肪，油，聚合物，染料，酚，石油產品，表面活性劑等。如此復雜的廢水成分迫使人們尋求新的效果更好的吸附劑。本文介紹的研究是在基于活性炭上進行的，在二氧化碳和碳酸鉀的存在下對其進行了熱化學處理，以改變其多孔結構，表面的酸堿性質，因此，對有機雜質的吸附性能。確定了活性炭對陰離子聚丙烯酸(PAA)和十二烷基硫酸鈉(SDS)及其混合物的吸附性能。

　　實驗用活性炭的制備方法與性質

　　本實驗首先將起始材料在110°C干燥至恒重，然后壓碎并篩分至0.5至1 mm的粒度。在石英管式反應器中，在吹入氮氣流(0.170 L/min)下進行起始原材料的熱解。將樣品加熱(10°C/分鐘)從室溫到最終熱解溫度600°C，并保持60分鐘。然后，將獲得的炭用800°C的蒸汽進行物理活化，以燃燒掉約50%的碳(即，在溫度和活化劑的影響下，燃燒掉了50%的碳質材料)。為了改變表面基團的質地參數和酸堿特性，對這樣制備的活性炭(表示為N)進行兩種熱化學處理。第一個步驟包括在900℃，氮氣氛(流速0.330 L/min)下，用碳酸鉀(N9K樣品)進行額外的化學活化(旨在在先前生產的活性炭中形成額外的微孔結構)(堿/活性炭重量比為2：1)。之后，產品經過兩步洗滌程序(用5%熱HCl溶液和軟化水洗滌)。最后，將樣品在110°C下干燥以獲得恒定質量。修改的另一個變體包括在900°C的二氧化碳氣流中以0.250 L的流速額外活化/分鐘，持續45分鐘(N9C樣品)。二氧化碳的使用旨在擴大蒸汽活性炭中存在的孔的直徑。

　　活性炭和經改性后獲得的樣品的化學成分。兩種修飾均導致灰分含量以及結構中特定元素的變化，其中這些變化對N9K樣品而言更大。起始活性炭(N)暴露于碳酸鉀會導致礦物質(灰分)的顯著下降，同時氫含量下降兩倍(可能是碳結構芳構化的結果)由于活性炭顆粒的表面氧化，增加了氧氣量。還值得注意的是，灰分含量比在CO 2中退火的N9C樣品低了近10倍。大氣層。N9K中的灰分很可能是由于活化后將其用5%的鹽酸溶液洗滌而導致的。圖1所示的SEM圖像也證實了各個活性炭的質地和形態多樣性。可以看出，根據制備程序，樣品在尺寸，形狀以及孔的數量或排列方面存在顯著差異。特別是在活性炭和N9C樣品中可以觀察到的較亮片段可能是其結構中存在灰分(礦物質)的結果。

　　圖1：活性炭，N9K和N9C的SEM圖像。

　　活性炭表面上聚丙烯酸的吸附機理

　　圖2提出了在3 pH值下獲得的三種被測活性炭表面上聚丙烯酸的吸附等溫線(由于在這種pH條件下聚合物的最高吸附)。可以看出，在N活性炭表面上觀察到最低的聚丙烯酸吸附。化學(N9K)和物理(N9C)活化后的改性固體樣品顯示出對聚合物大分子的更大吸附親和力。對于N9C而言，這種效果尤為明顯。為了解釋這些依賴性，應分析聚丙烯酸大分子電離的變化(直接影響其在溶液中的大小，并確定它們進入具有特定平均直徑的活性炭孔中的可能性)，以及隨著pH值增加，固體表面電荷密度的變化。提出了不同pH值溶液中聚丙烯酸大分子的特征。在pH 3時，聚合物羧基的解離度極小，而在pH 4.5時，離子化和中性羧基的解離度相同(解離度達到50%)。反過來，在pH 6和9時，聚合物鏈發生總電離。多元酸大分子電離的變化決定了它們的大小-解離度的增加導致鏈的發展從卷曲結構(在pH 3)到顯著延伸的構象(在pH 9)。此外，電位滴定結果(將在本文的其他部分進行討論)表明，活性炭表面pH pzc的變化范圍為5.33-6.82。這表明在pH值為3和4.5時，固體表面帶有正電荷，并且陰離子聚合物吸附的靜電條件是有利的。另一方面，在pH 9時，在完全解離的聚(丙烯酸)鏈與帶負電的固體表面之間會發生強靜電排斥。

　　圖2：聚丙烯酸在pH為3的活性炭，N9K和N9C表面上的吸附等溫線。

　　在圖3中比較了初始濃度為100 ppm的活性炭，N9K和N9C表面上初始濃度為100 ppm的聚合物溶液中PAA(Γ)的吸附量。。可以看出，對于所有檢查的活性炭，觀察到隨著pH升高聚合物吸附明顯減少。這是由于所檢查系統中的靜電條件從有利的吸引條件(在較低的pH值)變為不利的排斥條件(在較高的pH值)而引起的。而且，在更酸性的環境中，聚合物鏈的盤繞構型使得吸附層的堆積更為緊密(高PAA吸附)。在較高的pH值下，PAA鏈發展的增加導致表面層中吸附的大分子的構型更加延長，其特征是聚合物鏈段的堆積密度顯著降低(PAA吸附低)。

　　圖3：在pH值分別為3、4.5、6和9的活性炭，N9K和N9C表面上，初始濃度為100 ppm的聚合物溶液中PAA(Γ)的吸附量。

　　研究了使用活性炭從水溶液中陰離子表面活性劑(SDS)吸附重均分子量為2000 Da的聚丙烯酸的可能性。應用了三種類型的吸附劑：活性炭(在600°C的氮氣氛中熱解，然后在800°C的蒸汽中進行物理活化)，N9K樣品(在900°C的條件下用碳酸鉀進行其他化學活化)和N9C樣品(在900°C下用二氧化碳進行其他物理活化)。結果表明，在pH 3的N9C活性炭表面上，陰離子聚合物的吸附量較大。這是聚合物大分子最卷曲的結構的結果。另外，帶正電的固體表面和帶負電的聚合物線圈之間的靜電引力使得能夠形成由致密堆積的大分子組成的吸附層，從而導致聚合物的較大吸附量。用二氧化碳進行物理活化的活性炭(具有基本堿性特征)對于來自液體介質的聚合物大分子是非常好的吸附劑。因此，與其他氧化物和碳吸附劑相比，它是一種極具競爭力的材料。

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