活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭吸附去除水溶液中鞣質

　　棕櫚油加工廠產生的油性酸性褐色廢水，按體積計算約含95–96%的水，0.6–0.7%的油和4–5%的總固體(其中包括2-4%的懸浮固體)化學需氧量，生物需氧量和顏色強度較高。f廢水中中較高的顏色強度主要來自單寧(鞣質)，木質素(即通常沉積在大多數植物細胞壁中的棕色有機聚合物化合物)的存在，以及其他有機物。這種鞣質廢水排放到環境中會影響水生生物的生長，所以要在釋放到環境中之前，建議使用活性炭去除廢水中這些化合物，以避免對生物造成有害影響。

　　活性炭吸附是一種表面現象，其中污染物與高表面積的多孔固體(活性炭)接觸，并由于存在物理結合而沉積在活性炭(吸附劑)表面上和被吸附物和吸附劑之間的化學鍵。相對于上述其他方法，液相吸附在操作成本低和操作程序簡單方面具有獨特的優勢。特別的是，活性炭可以由含碳前體制成，其顯示出高吸附能力并且對于某些有機化合物而言接近完全去除效率。但是，活性炭的吸附能力在很大程度上取決于活化方法和前體的性質。所以專業的活性炭生產與加工能定制出適合您工況的活性炭。

　　活性炭的結構對鞣質的吸附情況

　　我們使用了幾種材料制作活性炭，在圖1中分別顯示了掃描電子顯微鏡圖像，而圖1B，d顯示倍率變為紅色虛線正方形部分中指示圖1的A，C分別。在新研發活性炭的表面上可以觀察到不規則的，不完整的橢圓孔，直徑在5至50μm之間(圖1c，d)，而在一般材料制成的活性炭表面上則沒有(圖1a，b)。這些孔是通過碳化過程中磷酸的蒸發而形成的。相反，在一般活性炭的表面上存在許多相對平坦的球狀團塊(圖4)a，b)。這些觀察結果突顯了活性炭中不存在多孔結構，而新研發的活性炭中存在多孔結構。向右傾斜曲線在低的存在P/P0的范圍，并在中到高的磁滯回線P/P0的范圍是在活性炭分類IV型等溫線的特性(圖1e)中，這表明存在微孔(尺寸小于2nm或20nm的孔)和中孔(尺寸2至50nm或20至500nm的孔)(圖1f)。磁滯回線具有相對較低的陡度，可以歸類為H4磁滯回線，這表明中孔由窄的狹縫狀孔或具有不規則形狀和寬尺寸分布的內部空隙的顆粒組成。鞣質吸附后，活性炭的表面積減少了50%，而孔體積減少了39%，盡管孔徑進行鞣酸吸附到活性炭的分布看起來相同，在圖1f顯示。

　　圖1：(a，b)一般活性炭和(c，d)新活性炭的掃描電子顯微鏡圖像和各自的放大倍數;(e)新活性炭的N2吸附-解吸等溫線，(f)由N2等溫線分析得出的孔徑分布。

　　鞣質(單寧酸)以中性形式存在，在溶液pH值低于4.5時，氧化態接近0。隨著pH值增加到4以上，單寧酸的電離趨勢平行增加，并在pH值7左右變得完全。在pH值pzc低于4.8(即pH值為2和4)下，活性炭具有帶正電的表面，因此中性單寧酸的吸附可能通過氫鍵和有機分配而不是靜電相互作用進行。另一方面，在pHpzc為4.8以上，即pH為6時，活性炭的表面帶負電。在此pH值下，單寧酸離子化產生的帶負電荷的陰離子的濃度相對較高，這導致陰離子與帶負電荷的活性炭表面之間存在靜電排斥。在pH2和pH4的情況下不存在這種排斥，說明了它們具有更好的吸附物-吸附劑相互作用。

　　活性炭對鞣質的吸附動力學

　　吸附動力學表示為特定時間溶質的去除速率，溶質的特性控制特定吸附過程所需的時間。圖2顯示了鞣質在4、2、4、6和8的四個不同溶液pH點形式的活性炭上的實驗吸附動力學數據。這些數據分別使用非線性偽一階和偽二階動力學模型擬合，如圖2a，b所示。動力學擬合顯示為虛線。然后應用線性粒子內擴散模型確定是否是吸附動力學中的限速步驟。

　　圖2：通過非線性(a)偽一階模型和(b)偽二階模型擬合在4、2、4、6和8的四個不同溶液pH下的實驗吸附動力學數據。實驗數據用點表示，等溫線擬合用虛線表示。

　　活性炭吸附去除水溶液中鞣質，實驗通過收集在2至6之間的不同pH值下的吸附平衡等溫線和動力學數據，進一步評估了活性炭去除水溶液中鞣質(單寧)的適用性。活性炭在4的pH值下顯示出最高的吸附容量，這可以通過以下方式解釋：其帶正電的表面和在此pH下低濃度的帶負電的鞣酸種類。吸附動力學結果還表明，在2的pH值下，物理吸附是主要的吸附機制，在4到8的pH值下，化學吸附是主要的吸附機制，并且活性炭去除效率較好。

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