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活性炭國(guó)家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

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活性炭改性后處理磺胺廢水
文章作者:韓研網(wǎng)絡(luò)部 更新時(shí)間:2018-8-28 14:48:36

  活性炭改性后處理磺胺廢水,我們通過(guò)氯化鐵改性活性炭。并進(jìn)行批量實(shí)驗(yàn)以評(píng)估廢水中的磺胺二甲嘧啶吸附到活性炭和改性活性炭上的平衡,分別分析動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特征。結(jié)果顯示活性炭經(jīng)過(guò)氯化鐵處理后改變了表面積,孔隙體積和表面zeta電位,還增加了表面含氧官能團(tuán)的數(shù)量。經(jīng)過(guò)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)磺胺二甲嘧啶在改性活性炭上的吸附得到顯著改善。

  磺胺二甲嘧啶是新興的污染物,主要用于治療各種細(xì)菌感染引起的疾病。大多數(shù)磺胺二甲嘧啶是通過(guò)動(dòng)物糞便和尿液以磺胺類物質(zhì)或代謝物的形式釋放到環(huán)境中,這些磺胺類物質(zhì)或代謝物可能在環(huán)境中長(zhǎng)期存在,可以通過(guò)農(nóng)場(chǎng)徑流和城市污水處理廠進(jìn)入土壤,地表水,地下水甚至飲用水造成污染。傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)只能去除廢水中的一些抗生素。這促使研究人員開發(fā)出簡(jiǎn)單,高效的新技術(shù),能有效的處理磺胺廢水。活性炭由于其大的比表面積和復(fù)雜的孔結(jié)構(gòu),可以有效地去除顏色,氣味和一些無(wú)機(jī)化合物和大多數(shù)有機(jī)污染物。然而,其在實(shí)際應(yīng)用中的使用受到其較低的吸附效率和成本的限制。經(jīng)過(guò)金屬離子改性后的活性炭生產(chǎn)簡(jiǎn)單,廉價(jià),可顯著提高活性炭的吸附性能。然而,磺胺類廢水在活性炭上的吸附機(jī)理目前尚不清楚,目前對(duì)磺胺類的吸附能力與其理化性質(zhì)之間的相關(guān)的信息了解甚少。在這項(xiàng)研究中,我們采用鐵離子來(lái)改性活性炭。批量吸附實(shí)驗(yàn)用于探索吸附機(jī)理。通過(guò)吸附動(dòng)力學(xué),吸附熱力學(xué)和吸附等溫線研究了磺胺二甲嘧啶對(duì)活性炭和改性活性炭的吸附特性,為廢水中的磺胺污染物去除提供了科學(xué)依據(jù)。

  活性炭改性后的特性

  活性炭和改性活性炭的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)很大差別。活性炭經(jīng)鐵離子改性后,活性炭的表面積,總孔容,微孔體積和中孔體積均有一定程度的增加,可為磺胺二甲嘧啶提供更多的吸附位點(diǎn)。由于改性,活性炭的微孔結(jié)構(gòu)可能被破壞,從而產(chǎn)生更大的比表面積。鐵離子主要在活化過(guò)程中沉積在介孔中,擴(kuò)大了孔徑并進(jìn)入微孔。將由金屬鹽釋放的氧化氣體引入微孔中并與微孔碳壁反應(yīng)。活性炭和改性活性炭的SEM圖像顯示在圖1(a)和(b)中。活性炭形態(tài)表明具有規(guī)則孔結(jié)構(gòu)的光滑表面。與活性炭相比,改性活性炭表面看起來(lái)粗糙且不規(guī)則。規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu)被破壞,孔隙率增加。這可能是由于在活性炭的內(nèi)部孔中引入了鐵離子,導(dǎo)致碳壁的氧化和孔徑的增加。粗糙表面結(jié)構(gòu)和多孔特性有利于加速磺胺二甲嘧啶在活性炭中的擴(kuò)散。活性炭和改性活性炭的TEM圖像如圖1(c)和(d)所示。這些圖片表明活性炭是無(wú)定形的。與活性炭相比,改性活性炭表現(xiàn)出許多孔隙和透明點(diǎn),進(jìn)一步表明表面積增加。活性炭和改性活性炭的EDS圖像如圖1(e)和(f)所示。與活性炭相比,改性活性炭的元素O和Fe含量顯著增加,C含量降低,表明鐵離子負(fù)載在活性炭上。此外,進(jìn)一步證明表面含氧官能團(tuán)增加,這有利于磺胺二甲嘧啶的吸附。活性炭和改性活性炭的XRD圖如圖1(g)和(h)所示。并且沒有活性炭和改性活性炭的明顯特征峰,表明它們是無(wú)定形的。這與TEM照片的結(jié)果一致。

  圖1:兩種吸附劑的代表性SEM,TEM和EDS圖像。(a)活性炭的SEM(比例尺為2μm),(b)活性炭的TEM(比例尺為100nm),(c)活性炭的EDS,(d)改性活性炭的SEM(比例尺為2μm),(e)改性活性炭的TEM(比例尺為100nm),(f)改性活性炭的EDS,(g)活性炭的XRD,(h)改性活性炭的XRD。

  活性炭吸附磺胺的三個(gè)階段

  磺胺二甲嘧啶在活性炭和改性活性炭上的吸附和擴(kuò)散過(guò)程可分三個(gè)階段描述,如圖2所示。由于在第一階段吸附在活性炭表面上,吸附速率最初很高。然后,發(fā)生快速的顆粒內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程,其中磺胺二甲嘧啶逐漸吸附在活性炭上,并且吸附速率常數(shù)逐漸降低。在第三階段,邊界層和傳質(zhì)阻力的影響增加,導(dǎo)致顆粒內(nèi)擴(kuò)散減慢。所有三個(gè)階段的擬合方程都沒有通過(guò)坐標(biāo)的原點(diǎn),這表明顆粒內(nèi)擴(kuò)散不是控制吸附速率的唯一步驟。因此,吸附過(guò)程也受膜擴(kuò)散和表面吸附的影響。

  圖2:磺胺二甲嘧啶在活性炭上吸附的顆粒內(nèi)擴(kuò)散結(jié)果。

  討論吸附機(jī)理改性活性炭的表面顯示出許多孔隙和透明點(diǎn),并且大量含氧官能團(tuán)被改性,導(dǎo)致磺胺二甲嘧啶吸附機(jī)理發(fā)生變化。根據(jù)本研究的相關(guān)研究結(jié)果,磺胺二甲嘧啶在活性炭表面的吸附機(jī)理總結(jié)如下(圖3):

  1.微孔捕獲

  SEM圖像顯示活性炭的規(guī)則孔結(jié)構(gòu)被破壞,孔隙率增加。此外,TEM圖像顯示改性活性炭表面含有許多透明點(diǎn),表明孔結(jié)構(gòu)更加發(fā)達(dá),修飾后可獲得更多的吸附位點(diǎn)。這有利于磺胺二甲嘧啶吸附到黑碳分子層的孔中。此外,經(jīng)鐵離子改性后,活性炭的表面積,總孔容,微孔體積和中孔體積均有一定程度的增加。

  2.氫鍵相互作用

  通過(guò)FTIR光譜鑒定的含氧官能團(tuán)通過(guò)促進(jìn)改性活性炭表面和磺胺二甲嘧啶之間的氫鍵相互作用促進(jìn)磺胺二甲嘧啶吸附。從數(shù)據(jù)圖中發(fā)現(xiàn),在3400和2850cm-1處的寬吸收峰表明改性活性炭表面上存在-OH。這些分子間氫鍵增強(qiáng)了磺胺二甲嘧啶和活性炭之間的表面相互作用,預(yù)計(jì)這有助于活性炭與異磺胺二甲嘧啶吸附親和力。

  3.π-π電子供體-受體(EDA)相互作用。

  圖3:磺胺二甲嘧啶和改性活性炭之間合理相互作用的示意圖。1.微孔捕獲。2.氫鍵相互作用。3.π-πEDA相互作用。4.靜電相互作用。5.配位相互作用。

  活性炭經(jīng)鐵離子改性后,活性炭的表面積,總孔容,微孔體積和中孔體積均有所增加。活性炭表面含氧官能團(tuán)的數(shù)量也增加,可以大大提高吸附能力。在改性活性炭上去除磺胺廢水中的磺胺二甲嘧啶顯著增加,并且在25℃下磺胺二甲嘧啶在改性活性炭上的最大吸附量為17.261mg/g。然而,吸附平衡時(shí)間幾乎不變。磺胺二甲嘧啶在原始和改性活性炭上的吸附動(dòng)力學(xué)分為快速和慢速吸附階段,磺胺二甲嘧啶吸附在12小時(shí)內(nèi)快速完成。pH值對(duì)磺胺二甲嘧啶的吸附具有顯著影響。當(dāng)pH值在3-10之間時(shí),磺胺二甲嘧啶的吸附量先增加后減少。微孔捕獲,靜電相互作用,氫鍵相互作用,π-πEDA相互作用和配位相互作用是吸附的可能機(jī)制。溫度的降低促進(jìn)了吸附反應(yīng)。pH值對(duì)磺胺二甲嘧啶的吸附具有顯著影響。當(dāng)pH值在3-10之間時(shí),磺胺二甲嘧啶的吸附量先增加后減少。

文章標(biāo)簽:椰殼活性炭,果殼活性炭,煤質(zhì)活性炭,木質(zhì)活性炭,蜂窩活性炭,凈水活性炭.

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