活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　在近期，地下水受到各種有機和無機化學物質的污染。特別是硝酸根離子污染地下水已成為飲用水的新問題。這個問題歸因于用于施肥和處理牲畜排泄物的大量氮化合物。如果飲用含有過量硝酸根離子的飲用水會導致出現高鐵血紅蛋白血癥并產生亞硝胺，這會起到致癌作用。因此，硝酸根離子的去除方法將成為保護地下水水質的方法之一。

　　到目前為止，已有傳統的去除硝酸根離子的方法，如反滲透和離子交換。然而，從高運行成本的觀點來看，這些方法包括缺點。另一方面，實現吸附成本低，操作簡單并廣泛用于水凈化。雖然有幾種吸附劑如沸石和硅膠，但由于多孔結構，大的表面積和孔體積都不如活性炭。并且活性炭還可以從各種材料和前體如生物質制備而無需任何特殊設施，因此活性炭可以在許多地區使用。近年來，活性炭已被開發作為污染物的凈化材料，具有多種優點，例如易于操作和加工各種形狀和尺寸。此外，活性炭具有疏水表面特性。

　　最近的研究表明，通過在活性炭表面引入官能團的化學和熱處理，可以加強活性炭對離子污染物的吸附能力。通過氧化處理引入大量酸性官能團的活性炭對重金屬吸附有效。還試驗通過氨氣處理引入活性炭的表面上的含堿性氮的官能團可以實現比未經處理的活性炭更好的吸附除去硝酸根離子。因此，預期碳表面上的諸如含氮官能團的堿性基團/位點對于離子物質的吸附是有效的，并且大量的堿性基團/位點可以增強離子物質的吸附。然而，硝酸鹽吸附到活性炭上的機制，特別是平衡溶液pH(pH e)和同一溶液中存在的共存離子的影響尚未詳細揭示。該信息對于制定活性炭以除去硝酸根離子和在凈水廠的實際使用中選擇活性炭是有必要的。

　　我們將活性炭在鹽酸和氫氟酸中浸泡過夜而不搖動，并用熱蒸餾水洗滌數次，直至洗滌溶液中的pH值不再變化。接著活性炭在110℃下干燥過夜，獲得的樣品儲存在干燥器中。為了除去活性炭表面酸性官能團，將活性炭在氦氣流下在管式爐中在800℃下加熱至所需溫度并保持1小時。為了將堿性基團/位點引入碳表面，進行氨氣處理。在氦氣流下，在管式爐中加熱活性炭。爐中的氣氛在200℃時從氦氣變為氨氣。將溫度升至800℃的設定值，并保持1小時。在氦氣流下將樣品冷卻至室溫。

　　在批量實驗中研究了硝酸根離子在活性炭上的吸附。將約50mg或100mg制備的活性炭分別加入到錐形燒瓶中的25mL或50mL NaNO 3溶液中，并將混合物在100rpm，25℃下振蕩過夜。初始硝酸根離子濃度范圍為100至800mg/L。

　　pH對活性炭吸附硝酸根的影響

　　活性炭上的硝酸根離子吸附量與溶液的pH e之間的關系如圖1所示。硝酸根離子在堿性條件下幾乎不被吸附，這意味著氫氧根離子會抑制硝酸根離子的吸附。另一方面，隨著平衡pH的降低，硝酸根離子的吸附量增加。在堿性條件下，由于硝酸根離子與活性炭表面之間的靜電排斥，硝酸根離子很難被吸附在活性炭上。另一方面，硝酸根離子的吸附量在酸性條件下增加，這歸因于硝酸根離子與碳表面之間的靜電吸引力。然而，隨著平衡pH從3.0降低到2.0，觀察到硝酸根離子吸附的顯著降低。在此pH范圍內，氯離子的初始濃度從2 m增加到20 m M，這意味著共存的氯離子會抑制硝酸根離子的吸附。通過NaCl溶液將氯離子的初始濃度固定在20 m M時，可以清楚地發現氯離子對硝酸根離子的吸附抑制作用，表明硝酸根離子在所有pH區域的吸附量均低于沒有任何pH調節的溶液。因此共存陰離子會導致競爭吸附影響硝酸根離子吸附的效果，并且這種作用可能是較強的在共存陰離子的濃度較高。

　　圖1.平衡pH下活性炭在25°C下吸附硝酸根的影響。

　　在這項研究中，通過氨氣處理和除氣來引入活性炭上的堿性基團/位點并從活性炭表面除去酸性基團以增強水溶液中硝酸根離子的吸附，以及硝酸根離子吸附與之間的關系。研究了溶液的pH值以及活性炭的表面電荷，以了解活性炭吸附硝酸根離子的基本機理。結論可歸納如下。

　　1、硝酸根離子的吸附取決于溶液的pH值，隨著pH的降低，吸附量增加。

　　2、硝酸根離子的吸附在pH2時受到抑制，這意味著氯離子對硝酸根離子的吸附有抑制作用。

　　3、在通過除氣和氨氣處理處理的碳表面上引入堿性基團/位點將使活性炭表面帶正電荷，增強硝酸根離子在水溶液中的吸附。

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