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活性炭吸附水中的鉛

來源：韓研活性炭網作者：韓研活性炭網 2017-08-15

　　今天來介紹活性炭吸附水中的鉛，重金屬的水污染被認為是對環境，特別是對人類健康的嚴重威脅。由于工業或采礦活動的殘留排放，天然水可能被金屬離子污染。廢水中最常見的有毒金屬是銅，鎘，鉻，鎳，鋅和鉛。由于工業過程和新技術的發展，過去幾十年來，重金屬對水的污染有所增加。從水中除去重金屬的不同方式研究的重要性在于它們在活生物體中的毒性，持久性和積累。在廢水中發現的最常見的有毒金屬之一是鉛，即使在少量量水平下也是有毒的。在圖1中，示出了作為pH的函數的水溶液中的鉛物質的圖。根據圖1，pH約為6，主要種類為Pb 2 +，Pb(OH)2(s)和PbOH +(可溶性物質)開始形成。

　　盡管有幾種方法用于從水中去除重金屬，但最有效的方法之一就是吸附在活性炭上，活性炭是一種通用的吸附劑，因為它具有大的比表面積，孔徑分布和不同官能團的存在表面。用于液相吸附的活性炭必須具有一定體積的大孔，以促進液體擴散到更小的孔中。活性炭是最廣泛的吸附劑，因為其面積大，多模多孔結構(基本上是微孔的)，高吸附能力和可變表面化學成分。因此，在許多領域中有許多應用，例如在氣相或液相中。

　　因此，有必要研究開發出通過吸附廉價且高度保留重金屬的新型吸附劑材料。因此，從農業或農業工業廢料生產活性炭已成為若干研究的目的，其中可以提到由果殼，椰殼制備的活性炭，還有各種纖維材料制成的活性炭等等。農產品生產量大，成本低廉，處置問題嚴重。它們成為獲得多種類型活性炭質材料的有利原料，例如，生產的地方，每天可能生產出幾百噸果殼、纖維渣廢物，這些都是通過熱處理可以富集碳含量的纖維素材料，這些材料能夠形成不同尺寸的多個孔，這取決于激活方法。農業木質纖維素廢物已被廣泛研究，并被證明是生產用于從水溶液中除去金屬離子的活性炭的好材料。

　　還已知對吸附正電荷物質最有效的活性炭是在其表面上具有作為離子交換劑的作用的氧官能團的氧化碳。活性炭的化學成分對其性能有影響; 位于芳族層的末端的活性炭可能形成CO鍵，因此可以將大量的氧和其它原子加入到活性炭表面上，因此，酸基的發展可以用氧(空氣)或其他氧化劑。

　　在本研究中，選擇三種木質纖維素材料作為前體，通過使用硝酸作為活化劑進行化學活化。由此獲得的活性炭對Pb 2+離子具有高吸附能力。該離子的吸附能力與在所獲得的不同活性炭表面上形成的氧化基團的類型和數量有關。介紹了硝酸對每種碳獲得的結構和表面化學性質的影響結果。此外，如何通過改變溶液的pH來影響制備的活性炭中Pb 2+離子的吸附能力。

　　使用三種不同的纖維此阿里獲得的活性炭被稱為ACB，ACS，ACP，活性炭的元素分析結果如表1所示。可以看出，被認為是木質纖維素前體的材料具有高含量的活性炭，并且從中得到具有良好吸附劑特性的活性炭。使用硝酸的改性提高了鉛離子的吸附能力。這與碳氧化反應的酸性官能表面基團的增加以及碳表面總電荷的增加相一，。獲得的活性炭的表面化學結構的特征在于形成酸型氧合基團，當用作吸附劑或作為催化劑載體時，其影響其性能。為了通過這種多孔固體(如水溶液中的金屬離子)吸附無機化合物，最重要的變量是表面絡合物的性質，甚至超過吸附劑的表面積和孔隙率。

　　活性炭，ACB，ACP和ACS在77 K下的N 2吸附等溫線如圖所示。表2包括在77K 的N 2和273K 的CO 2的微孔體積V o和活性炭的總體積V T的值。通過使用方程分析77 K處的N 2和273 K處的CO 2的物理吸附等溫線來推導出體積。三種材料具有適合溶液吸附的表面積值，可以看出，具有最大表面積的活性炭為1100m 2 g -1，由鋸屑得到。對于所有活性炭，Vo(CO 2)和Vo(N 2)的值相似; 通過上述兩種碳的氮氣和二氧化碳吸附獲得類似的微孔體積值的事實表明這些碳的微孔隙窄而均勻。對于ACS，微孔體積和兩種吸附物(N 2和CO 2)之間的差異較大，表明微孔隙也較大。因此，值得一提的是，等溫線的形狀發生變化，表明每當改變前體材料時，孔被修飾。可以看出，ACS有比其他兩個活性炭更大的孔體積和表面積。這些碳的表面特性對Pb 2+離子的吸附能力有直接的影響。

　　酸和堿性部位的總含量以及氧化基團的分布結果示于表3。從鋸末，ACS獲得的碳中酸性位點的發展更加廣泛，使得它更能夠在這些位置上從水溶液中吸附金屬陽離子。用HNO 3浸漬前體材料使酸基含量高于堿性基團含量。當活性炭在獲得后經歷氧化過程時，發生類似的行為。酸和堿性基團的含量之間的差異通過用通過活化方法引入的硝酸形成的氧化基團的產生來解釋。

　　所獲得的活性炭的零電荷點pH值PZC的 pH 如表3所示。pH PZC值是表面官能團對溶液的pH無貢獻的點。生成的活性炭是在pH > pH PZC下去除Pb 2+離子的有效吸附劑。對活性炭測定的pH PZC值表示其酸性質，這是由于施用于碳的處理而預期的，這引起了如表3所示的氧化基團。至于酸位點的分布，羧酸基團的數目是碳ACB和ACS，這也產生了更小的酸性pH較大PZC值，因為這些基團對應于較高的強度的酸。ACP具有較高含量的酚類組分，其pH PZ最高，4.1。一旦已經制備和表征活性炭，在298K處，在不同的pH值范圍為2和8之間獲得了離子Pb 2+的吸附等溫線。圖3至5 中顯示了等溫線，其中可以看出對于三種活性炭，最高吸附的pH為4。觀察到的最大吸附是活性炭ACS，其中表面特性對所述吸附能力具有影響，而具有相同量級的表面積和微孔體積的碳ACP和ACB具有相似的吸附能力。 ACS上的Pb 2+吸附量約為17.5 mgg -1，可能與表面酸基含量有關，因為它具有最高的總酸度值6.93 meqg -1，反之，羧基含量最高， 4.45 meqg -1。

　　通過化學處理獲得活性炭，對鉛離子具有高吸附能力。硝酸在三種木質纖維素材料上的化學處理產生了表面積在860和1100m 2g -1之間的活性炭，孔體積在0.27和0.55cm 3 .g -1之間，表面特征有助于離子吸附。對于ACS，用硝酸浸漬在碳表面上產生的總量增加4.13至6.93mmol / l，具有較高比例的有利于 pH4的Pb 2+吸附的羧基。對于所獲得的活性炭，其吸附容量從13.7至17.5mg.g -1變化，其中由于其表面積，孔體積和總酸度的高值，ACS是吸附最大的活性炭。溶液的變化表明，對于所評估的范圍，2-8，在pH2時，活性炭帶正電，導致表面與Pb 2+離子之間的靜電排斥。當pH> pH PZC時，固體負電荷，這種條件有利于Pb 2+離子與表面之間的相互作用，從而增加Pb 2+離子對具有最高表面積和體積的活性炭的吸附。當pH> 4時，氫氧化鉛物質影響吸附過程，特別是在活性炭表面沉淀的固體氫氧化物。

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