活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭電吸附天然水中的溴化物

　　飲用水或預飲用水的溴化物濃度通常較低。但是，有時它們可在純化過程中，可能產生高毒性的化合物。溴化物的存在是特別令人感興趣的，因為與氯化物不同，溴化物有助于THMs的形成，產生的化合物包括溴仿(CHBr3)，溴二氯甲烷(CHCl2Br)或氯二溴甲烷(CHCIBr2)等。溴化物天然存在于海水和沿海地區，這是地中海盆地飲用水特別關注的問題。活性炭是從污水中去除有機和無機污染物的好方法，我們用活性炭作為吸附劑的壓濾電化學電池中，研究從天然水中吸附和電吸附溴化物的過程。

　　活性炭具有許多特性，例如高表面積，大孔隙率，由微孔，中孔和大孔組成的發達的內部孔結構，以及活性炭表面上存在的各種官能團，這使其具有很強的可比性。一種用途廣泛的材料，在許多領域都有廣泛的應用，但主要是在環境領域。活性炭的作為吸附劑用于不同類型的污染物的效率都挺好的，活性炭比金屬和其他無機污染物在去除有機化合物方面非常有效。通過使用不同的化學物質或合適的處理方法，需要更高比表面積的活性炭，這將使活性炭能夠增強其從水相中去除特定污染物的潛力。在探索在實際吸附劑量下通過定制活性炭表面去除溴的方法以及對水域天然溴化消毒副產物的控制。

　　水樣溴化物和總溴的測定

　　使用的飲用水是來自海水淡化廠的真實樣品。溴化物濃度(BR-)為345，并通過離子色譜法分析該濃度。該溴-不同的實驗過程中，總溴(Br)濃度使用電感耦合等離子體-質譜進行測定。對于ICP-MS測量，將每個樣品溶解在HNO3中，然后使用尼龍膜濾器(孔徑〜350nm)過濾。總溴濃度包括水中存在的所有含溴物質。

　　電化學壓濾池

　　在這項研究中，已開發出用于溴化物電吸附的壓濾電化學電池。為了使電化學電池與受污染的水通過更寬的活性炭床接觸，已經對其進行了修改。在實驗過程中，水通過離心泵在陽極和陰極之間循環，并通過發現為床的活性炭。這樣，可以獲得有關該間歇反應器中吸附動力學以及平衡吸附量的信息。最后的數據對于了解由于施加電勢而可能提高活性炭的吸附容量非常重要。圖1中顯示了電化學電池和用于電吸附過程的設備的示意圖。

　　圖1：活性炭電吸附實驗的示意圖。

　　活性炭和所用的真實天然水樣品將使我們能夠證明該方法在非常接近真實水處理廠可用條件的條件下的有效性。通過N2和CO2吸附/解吸等溫線評估了活性炭最相關的表面性能。從這個意義上講，與N2相比，從CO2吸附獲得的微孔體積表明大多數微孔的尺寸約為0.5nm(由N2和CO2吸附獲得的微孔體積相似。因此，從質地特性的觀點出發，可以得出結論，所選的活性炭具有充分發展的多孔質地，這使其成為用于水處理的良好選擇。

　　電壓在陽極電吸附中的作用

　　為了在不存在電壓的情況下初步確定活性炭的吸附量，從而檢查電場的存在是否會使吸附量增加，將水(400mL)與壓濾機接觸裝有活性炭并允許其達到吸附平衡24小時的電解池。圖2顯示了濃度隨時間的變化。在該圖中，還顯示了溴化物和總溴的初始濃度。可以看出，由于在活性炭上的吸附，溴化物和總溴化物的濃度降低，直到達到溴化物的約250µg/L-1的平衡濃度為止。圖2還顯示了在吸附過程中存在兩個區域。在第一個區域中，吸附非常快，這主要是由于通過固定液體邊界層的質量轉移(出現在顆粒外表面上)或在碳顆粒較寬的孔隙率中吸附物的孔擴散受到限制的緣故。在7小時后，第二個區域得以區分，在此區域，由于較窄的孔內被吸附分子的表面擴散，吸附速度變慢了。上的活性炭的吸附曲線的兩個區域的外觀非常有特點這些材料。

　　圖2：在沒有電壓的情況下溴化物和總溴濃度的變化。

　　圖3顯示了在陽極條件下施加不同的電壓(2V，3V和4V)時電吸附過程中的溴化物和總溴化物濃度。可以觀察到，對于所有使用的電壓，溴化物和總溴的濃度隨時間降低，并且達到的值比沒有電壓時得到的值(圖3中的0V)低。這些結果表明，電場的存在增加了溴化物的量和總溴的去除，從而提高了活性炭的吸附能力。

　　圖3：陽極條件下不同電壓(2V，3V和4V)下的溴化物和總溴的變化。也包括在不存在電壓的情況下的吸附。虛線對應于總溴，實線對應于溴化物。

　　電極極性的影響(陽極電吸附和陰極電吸附)

　　為了研究電吸附實驗極性的影響，比較了陽極電吸附性能(活性炭位于陽極室中，活性炭處于正極性)和陰極電吸附性能之間的比較(活性炭位于陰極室中，活性炭在其中經過負極性處理)。在這些實驗中，已經完成了以下連續步驟：(1)在24小時內處于開路條件下進行吸附，(2)在24小時內施加3V的電壓，以及(3)在24小時內再次開路電勢以便分析電吸附步驟的可逆性。

　　圖4：在三步實驗中的溴化物濃度，第二步對應于在3V下進行24h的陽極和陰極電吸附實驗。在第二步中施加3V電壓24h，然后將其再次置于開路狀態24h。

　　圖4顯示了第二步在陰極和陽極條件下這些實驗期間溴化物濃度的變化。可以觀察到，在開路電勢下吸附之后(圖4中的步驟1)，兩種情況下的溴化物含量相似;但是，在電吸附之后，陽極處理會導致溴化物濃度的更大降低，而在陰極電吸附的情況下(圖4中的步驟2))。這些結果可能是兩個過程的結果：根據等式(1)，在活性炭的正極性上有利于溴化物的電吸附和在陽極上溴化物的氧化。此外，在電吸附步驟之后，如果將系統再次置于開路條件下，則在兩個極性下均不會產生溴化物的解吸，這表明電吸附過程不可逆。

　　活性炭電吸附天然水中的溴化物的研究中得出結論，電吸附過程可有效消除水中的溴化物和總溴，在一個階段中達到約46%的去除率溴化物和總溴的電吸附過程。已經研究出，以一定濃度去除水中溴化物的更好條件是將電場施加到產生正極化的活性炭上(陽極電吸附)。該處理可顯著提高活性炭的吸附能力，從而使溴化物的還原量降低與水接觸1小時后。溴化物的去除百分比從無電壓時的29%(吸附)增加到3V時的46%(電吸附)。當該方法分兩個階段進行，其中將先前的電化學氧化引入吸附階段時，可獲得相似的溴化物去除值。在此先前的電化學氧化階段中，發生了溴化為易于吸附在活性炭上的Br2的氧化，并且在實驗的兩個階段中，水的總溴含量降低了59%。值從3V的單個電吸附步驟中的46%顯著增加。

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