活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭吸附砷的能力怎么提高

　　砷是一种有毒的准金属，可以在天然硫化矿物或沉积物中找到。这些天然砷化合物通常通过火山活动和风化反应等全球地球化学活动释放到水中。此外，也有人为的砷化合物释放到自然界中。自然界中释放的砷的主要无机种类是无机形式。三价砷是厌氧条件下的主要污染物，其毒性大于五价砷。从水中除去超标的砷，吸附法是比较好用的，活性炭是常用材料。为了提高活性炭对砷的吸附能力，使用苯胺对各种原材料进行热化学气相沉积以制备掺氮活性炭样品，再来测试对砷的吸附能力。

　　怎么提高活性炭的吸附能力

　　加热和氮掺杂处理可以增加活性炭的阴离子吸附能力。在950℃下加热活性炭以通过含氧酸性官能团的分解来增强石墨烯层上的π电子。石墨烯层上的π电子可以吸引一些质子，导致吸附位点略有增加，并且通过退火过程分解含氧酸性官能团会增强π电子，因为这些官能团被称为电子-撤回团体。经过热处理使活性炭样品具有抵抗蒸汽活化的硬度，因此，我们必须在最后一步进行退火过程，因为在退火后无法正确进行蒸汽活化。并且通过热处理从其他表面氮物种形成季氮，进行实际检测来证明活性炭的原始表面性质对砷吸附能力的影响。

　　根据溶液pH值对砷的潜在吸附位点

　　活性炭的阴离子吸附能力通常受溶液pH值的影响。因此，我们使用吸附实验数据评估了所有pH范围内砷的潜在吸附位点。pH2-12吸附容量的结果如图1所示。所有样品在pH7附近表现出高吸附能力。通常，酸性pH条件下的阴离子吸附能力取决于碱性官能团的数量。作为基本官能团的例子，石墨烯层上的π电子可以吸引一些质子，导致吸附位点略有增加。此外，吡啶氮(N-6)、吡咯氮(N-5)和胺基团在低于特定pH值时会变成带正电荷的吸附位点，这取决于它们的酸度系数，而季氮始终以带正电的形式存在。因此，当这些位点根据它们的酸度系数在某些酸性pH范围内变成正电荷时，它们可以充当阴离子吸附位点。由于这个原因，碳的活化在酸性pH值而不是碱性pH值条件下表现出相对较高的砷吸附能力。然而，H3AsO4的酸度系数值为2.19、6.94和11.5。例如，砷酸盐的主要种类是H3AsO4和H2AsO4-在pH值2.19。因此，当溶液pH值低于2时，砷的主要种类变为中性。活性炭和被吸附物之间的静电相互作用变得排斥。此外，由于用盐酸调节pH，砷酸盐和氯离子之间的竞争会抑制砷酸盐的吸附。相反，砷的主要种类是碱性pH范围内的阴离子。然而，当溶液的碱度大于每个样品的pHpzc时，碳表面带负电荷。这些强碱性条件在静电上不适合阴离子吸附。此外，过量的氢氧根离子也在碱性区域中充当强竞争离子。综上所述，阴离子吸附在碱性pH范围内是不利的。

　　图1：活性炭在各种平衡pH范围内对砷吸附的影响。

　　吸附等温线

　　我们在图2中显示了连续加热处理活性炭的朗缪尔吸附等温线。由于显示出大吸附容量的pH值较窄，因此我们将平衡pH条件确定为pH6.6-7.0。在此范围内，大多数经CVD处理的样品显示出稳定的吸附能力。决定系数指出朗缪尔等温线与所有样品的合适匹配。因此，该结果表明砷吸附可以发生在单层上。总之，该结果支持了砷酸盐吸附发生在NQ位点、石墨烯层上的π电子质子化以及活性炭的含氧和氮的基本官能团质子化的想法。

　　图2：活性炭的砷吸附朗缪尔吸附等温线。

　　具有微孔表面的活性炭适合作为砷吸附剂，实验结果是增加活性炭的比表面积和高浓度的季氮含量将增强所有pH范围内的砷吸附。蒸汽活化的连续处理前驱体的氮含量影响了基本官能团，因此由低含氮前驱体制成的样品在酸性pH条件下表现出低砷吸附能力。如果热处理后的结构容易被活化工艺破坏，热化学气相沉积工艺后产生的表面会在活化过程中丢失。热化学气相沉积工艺引入的氮将在整个pH范围内的砷吸附机制中发挥重要作用。因此，活性炭前体应具有抗热处理的刚性表面，经过处理后氮含量增加了1.7%。由于其介孔表面，增加是所有前体中比较高的。

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