活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭催化劑去除黑色素廢水

　　面包酵母，乙醇生產和其他發酵工業(以糖蜜為原料)排放的廢水擁有大量污染物，其主要特征是深棕色，顯示出很高的化學需氧量(COD)。黑色素是廢水中褐色的起源，是高分子量的異質聚合物，它們在反應過程中通過氨基酸和糖類的結合而形成，它排放到廢水中會產生厭氧條件。所以我們需要一種處理這種污染物的方法。我們首先使用活性炭進行吸附測試發現效果沒達到預期，并隨著改進吸附流程和加強活性炭的性能來實現對黑色素廢水的處理。

　　活性炭催化劑的制造過程

　　本次一共制備了三種類型的非均相Fenton催化劑，分別是納米零價鐵顆粒，活性炭負載的納米零價鐵和浸漬有納米零價鐵的殼聚糖改性活性炭。通過在活性炭上吸收鐵離子，然后使用NaBH 4原位還原，合成了活性炭負載的納米零價鐵。殼聚糖改性活性炭的制備方法是，先在酸洗過的活性炭上涂覆一層殼聚糖，然后將亞鐵離子螯合到殼聚糖基質中，然后將其原位還原為納米零價鐵。這幾種活性炭催化劑的合成過程示意圖如圖1所示。

　　圖1：活性炭催化劑的制備過程的示意圖和對污染物的降解方法。

　　活性炭對黑色素廢水的脫色測試

　　使用活性炭樣品研究了活性炭負載催化劑的可重復使用性，以在合適條件下處理合成的黑色素廢水。在第一個處理周期后，將活性炭從溶液中取出并用去離子水洗滌，然后重新引入相同COD值的黑素廢水中，以進行第二個處理周期。使用活性炭進行了五個循環測試，每個循環后收集廢水樣品以分析COD減少和黑色素的去除。考慮到成本效益，H 2 O 2劑量對于使用芬頓反應的廢水處理至關重要，因此需要進行優化。圖2a顯示了在合適pH和活性炭催化劑用量條件下，使用H 2 O 2在35mM和360mM之間的范圍內，黑色素隨時間的脫色關系。如圖2a所示，所有濃度的H 2O 2的去除過程可分為兩個區域，即在開始的15分鐘內快速去除顏色，然后減慢氧化過程。使用35 mM H 2 O 2脫色H 2 O 2濃度在15分鐘內僅為19%，但隨著H 2 O 2濃度增加至60 mM 并沒有太大改善，其中15分鐘內獲得了24%的脫色。但是H 2 O 2濃度從90 mM 進一步增加到240 mM顯著加快了顏色去除率，在15分鐘內去除了58%–72%。使用240 mM H 2 O 2(分別為76.2%和84.7%)獲得較高的COD和顏色去除。小于60 mM H 2 O 2的顏色去除效率較低。

　　圖2：(a)活性炭處理的合成黑素廢水的脫色(C/C 0百分比)，(b)在存在H2O的處理過程中，殘留H 2 O 2的濃度變化和活性炭的COD去除效率，(c)鐵離子的濃度變化和總鐵離子，(d)活性炭在相同載鐵量的條件下，三種催化劑在處理黑素廢水中的催化活性對脫色效果的比較。

　　為了了解活性炭在處理合成類黑素廢水中的反應機理，在初處理240 mM和360 mM H 2 O 2的過程中，測量了廢水處理過程中未消耗的H 2 O 2濃度。圖2b顯示，殘留的H 2 O 2濃度在20-25分鐘后迅速下降，影響了Fenton樣過程的效率。在使用240 mM H 2 O 2下會在90分鐘后被消耗掉，并且該時間可以被認為是終止類芬頓反應的反應時間。完全消耗H 2 O 2后，可以大程度地去除顏色(圖2a)。

　　活性炭在去除黑色素廢水后的的重復使用性能

　　檢查了活性炭催化劑的可重復使用性，以評估其是否經過了多個循環的黑色素處理。圖3顯示了五個處理周期的COD和脫色以及鐵浸出的結果。一個。盡管觀察到4個循環后，脫色效率從85%逐漸降低到70%，但是，可以證明活性炭催化劑在Fenton反應中具有合理的可重復使用性。效率的降低可歸因于吸附降解副產物時某些催化劑位點的失活以及在Fenton反應過程中少量鐵的浸出。在每個循環后對鐵的浸出進行了研究，以表明活性炭的穩定性。如圖3所示a，在第一個循環中浸出鐵離子的量最高，約為初始鐵量的2%。在第三個循環后，浸出鐵降至<1%，并且在隨后的循環中保持穩定，在第五個循環時降至0.5%。與將鐵離子浸入溶液中的單獨的納米零價鐵相比，在Fenton類工藝中，亞鐵離子和鐵離子可能會被活性炭吸附/螯合，從而避免了浸出并使反應連續供入。零碎的鐵損失顯然是活性炭催化劑再利用以及減少鐵淤渣的重要步驟。

　　圖3：在優化測試條件下，活性炭催化劑在Fenton樣工藝中處理黑色素廢水五個循環的可重復使用性評估。

　　活性炭催化劑去除黑素廢水的測試中。發現殼聚糖涂覆在活性炭上以穩定納米零價鐵，并且發現與物理吸附過程相比，化學交聯導致殼聚糖更多地附著于活性炭。在固定條件下，活性炭的COD去除率和黑色素顏色去除率分別為76.2%和84.7%。在可重復使用測試下，活性炭處理黑色素廢水五個周期后，發現COD/脫色效果不會顯著降低。重要的是，該活性炭催化劑的特點是在重復處理過程中鐵的浸出率極低，從而降低了鐵泥污染環境的可能性。總而言之，較高的脫色效率和較低的H 2 O 2降低了活性炭的消耗，廢水中負載型催化劑的易于回收，多次循環的可重復利用性以及低鐵的浸出，是一種出色催化劑。

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