淨水技術|兩種溫度下製備的香蒲活性炭對布洛芬的吸附性能比較

2020-12-06 淨水技術

本研究以香蒲為原料在350 ℃和550 ℃下利用氯化鋅活化法製備了兩種活性炭，並利用紅外光譜儀、比表面積及孔徑分析儀對製成的樣品進行了表徵。同時，通過一系列的吸附試驗考察了活性炭投加量、吸附時間、溫度、pH、初始濃度對布洛芬去除效果的影響，並對兩種活性炭的吸附效果進行了比較，得出了吸附效果較好的活性炭的製備溫度，以期為活性炭的製備條件提供參考，為含布洛芬的汙水處理提供一種經濟且高效的方式。

Part 1 材料與方法

01 活性炭樣品製備

本試驗的原料香蒲來自南京玄武湖，將樣品通過烘乾、過篩、加溶液混勻並振蕩、抽濾、乾燥處理後，將乾燥後的混合物以氮氣作為保護氣在馬弗爐中炭化30 min，炭化溫度分別為350 ℃和550 ℃，高溫炭化結束後繼續通入氮氣，直至溫度降至室溫。將高溫碳化後的產物用0.2 mol/L的鹽酸溶液進行浸泡，再用去離子水反覆清洗至中性，然後烘乾再粉碎製得活性炭成品。將不同溫度下製備的兩種活性炭分別記為AC-350和AC-550。

香蒲活性炭製備過程

對比兩種不同溫度下製得的活性炭可知，350 ℃活性炭顏色偏灰，550 ℃活性炭顏色更黑更深。在550 ℃下，原材料熱解更加充分，碳化程度更高，製備的活性炭含碳量越高。因此，碳化溫度會影響活性炭的碳化程度，從而影響對汙染物的吸附性能。

02 試驗方法

配製一定濃度的布洛芬溶液，取100 mL於250 mL錐形瓶中，加入一定量活性炭，調節溶液的pH，置於一定溫度和轉速的恆溫振蕩器中振蕩一定時間，振蕩結束後取上清液離心測得其中剩餘布洛芬的濃度並計算吸附量和去除率。

Part 2 結果與討論

01 比表面積和孔結構分析

在550 ℃下製得的活性炭比表面積明顯較高，總孔體積也更大，這也決定了AC-550具有更好的吸附效果。AC-350的微孔表面積和體積均為0，AC-550的微孔也僅提供了14.85%的總比表面積和2.8%的總孔體積，因此，兩種活性炭的孔結構都是以介孔和大孔為主。AC-550的比表面積和孔體積較大，可能是因為活性炭製備時是以ZnCl2為活化劑進行浸漬，ZnCl2分子浸漬到炭的內部起骨架作用，炭的高聚物碳化後沉積到骨架上，洗去ZnCl2，即具有了巨大表面的多孔結構活性炭。

活性炭比表面積及孔結構參數

02 紅外光譜分析

香蒲活性炭的紅外光譜圖

兩種活性炭中含有豐富的表面官能團，因此能提供大量的吸附位點。但對比兩種活性炭，AC-550的特徵峰強度均高於AC-350，這表明550 ℃條件下製備的活性炭表面官能團進一步增加，芳香化程度增加，有利於吸附效果的提升。

03 活性炭投加量對吸附的影響

兩種活性炭對布洛芬的去除率都隨著投加量的增加而呈現先增加後趨於穩定的趨勢。從經濟角度考慮，AC-350吸附布洛芬的最佳投加量為2 g/L，AC-550最佳投加量為0.4 g/L。對比兩種活性炭，AC-550對布洛芬的吸附效果明顯優於AC-350。

投加量對吸附效果的影響

04 時間對吸附的影響

振蕩時間對吸附效果的影響

隨著振蕩時間的增加，兩種活性炭對布洛芬去除率的變化趨勢是一致的，都是先迅速增加然後緩慢增加，最後直至逐漸穩定。因為在反應初期，吸附劑表面和溶液之間存在著吸附質濃度差，這會增加傳質推動力，從而促進吸附的進行；而隨著時間的增加，溶液中布洛芬的濃度不斷下降，吸附速率也會因此降低。

利用準一級動力學模型、準二級動力學模型和顆粒內擴散模型對試驗數據進行擬合。

吸附動力學擬合參數

兩種材料對布洛芬的吸附過程更符合準二級動力學模型。此外，顆粒內擴散模型擬合的曲線未經過原點，說明顆粒內的擴散不是吸附過程中唯一的控制因素，可能還存在其他的吸附過程。

05 溫度對吸附的影響

溫度對吸附效果的影響

隨著溫度的升高，兩種活性炭對布洛芬的去除率都呈先升高後下降的趨勢。因為在一定範圍內提高溫度，可以加快布洛芬分子的擴散速度，從而有利於布洛芬吸附到活性炭表面及孔道內。熱力學是研究熱現象中物質系統在平衡時的性質和建立能量的平衡關係，包括狀態發生變化時系統與外界的相互作用以及能量傳遞和轉換等。

不同溫度下的熱力學參數

對於AC-350和AC-550，吉布斯自由能ΔG均為負數，說明這兩種活性炭對布洛芬的吸附過程是自發進行的；焓變ΔH均為正數，說明吸附過程是吸熱反應；熵變ΔS均為正數，說明吸附過程較為複雜，系統混亂程度較高。

06 pH對吸附的影響

pH值對吸附效果的影響

溶液的pH是影響吸附效果的重要因素之一。當pH值>3時，去除率呈不斷下降的趨勢，可能是因為活性炭的表面電位降低，與布洛芬之間的靜電作用力減弱，所以吸附效果變差。但當pH值從1變化到9時，AC-550的吸附效果始終優於AC-350。

07 濃度對吸附的影響

初始濃度對吸附效果的影響

利用Langmuir、Freundlich和Temkin這3種吸附等溫模型對試驗數據進行擬合，擬合結果如下表所示。

等溫吸附模型相關參數

對於AC-350和AC-550，用Langmuir模型線性擬合的相關係數R2最高，分別為0.989 5和0.998 9。因此，兩種活性炭對布洛芬的吸附行為都更適合用Langmuir吸附等溫模型來反映，這說明兩種活性炭對布洛芬的吸附主要為單分子層吸附。Langmuir模型擬合得到的RL為0～1，說明吸附過程是有利的。

08 競爭吸附的影響

利用活性炭對水中的布洛芬進行吸附時，廢水中的其他有機物會與布洛芬在活性炭表面產生競爭現象，故研究配製了含不同濃度葡萄糖的布洛芬廢水，研究葡萄糖對布洛芬的競爭吸附。

葡萄糖的競爭吸附影響

溶液中葡萄糖分子與布洛芬分子直接競爭吸附位點，且葡萄糖濃度越高，競爭吸附越明顯。

09 香蒲活性炭處置與回用

活性炭在吸附飽和後即成為飽和活性炭，處理處置不當勢必造成二次汙染及資源浪費。活性炭再生不但可以有效去除其吸附的汙染物，還能夠有效恢復活性炭的大部分吸附性能，提高香蒲製作活性炭的經濟性。因此，需要對香蒲活性炭開展再生方面的研究。基於活性炭的高強度性能指標，研究決定以加熱再生的方法恢復其吸附性能，實現二次利用。研究發現，再生3次後，活性炭的再生效率仍然在80%以上，可以達到廢棄活性炭的再生效率指標，具有較好的應用前景。

Part 3 結論

(1)AC-350和AC-550均具有發達的孔結構且表面都含有豐富的官能團，但AC-550的比表面積明顯大於AC-350。

(2)活性炭投加量、吸附時間、溫度、pH、布洛芬初始濃度都對吸附效果產生了影響。

(3)兩種活性炭對布洛芬的吸附過程都更符合準二級動力學模型和Langmuir等溫吸附模型，且吸附反應過程都是吸熱、熵增且自發進行的。

(4)本試驗證明，製備溫度會對活性炭的吸附效果產生影響，在550 ℃下製備的活性炭對布洛芬的吸附效果更好，且從經濟角度考慮，550 ℃下製備的活性炭在較小的投加量下就能達到更高的去除效率，這為活性炭的製備條件提供了參考。

(5)利用香蒲廢棄物製備活性炭不僅方法簡單，還降低了活性炭的製備成本。因此，將其應用到含布洛芬的水處理中是非常高效且具有較好的前景。

更多信息

何秋玫，林子增，黃 新，徐 爽，楊 海

(南京林業大學土木工程學院，江蘇南京 210037)

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