活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭吸附处理3,5-二硝基水杨酸

　　水污染在环境保护中是一个大问题，最近发现一些硝基芳族化合物存在于工业(如葡萄酒工业)的废水中。其中一种化合物是3,5-二硝基水杨酸(DNS)，广泛用于各种测试，也是是废水中的一种新兴污染物。为了更好的利用水资源实现受污染污水中的水的再利用，提成了一种吸附污染物的处理方法是使用活性炭，它表现出稳定性和高吸附能力、易于处理、低能耗和通用性，并且不会形成反应副产物。活性炭广泛用于水处理因为它具有诸如高接触表面、孔隙率和丰富的表面基团等特性，与粘土、沸石和石墨烯中的特性相比，这些特性更稳定。

　　3,5-二硝基水杨酸吸附等温线

　　平衡吸附分析使我们能够获得不同等温线模型的参数，表明在去除污染物时进行了何种类型的过程。在图1中，显示了使用粉末活性炭(图1a)和活性炭(图1b)在不同温度下DNS的吸附能力。还观察到3,5-二硝基水杨酸在两种吸附剂中的吸附都随着温度的升高而显着影响，随着温度的升高呈现出更大的吸附。因此，在45℃时，活性炭和粉末活性炭的大吸附容量分别为6.97和11.57mg/g。这可能是由于去除过程的环境，这会导致吸附剂表面随着温度的升高而增加其对3,5-二硝基水杨酸吸附的参与。使用商用活性炭的文献中也报道了类似的行为。在其他研究中，使用这种吸附剂还观察到，基于苯酚、高氯酸盐和重金属等的不同化合物的吸附能力有所增加。

　　图1：不同温度下DNS吸附的演变(a)活性炭和(b)粉末活性炭。

　　使用经商业氧化方法在不同温度下处理的活性炭去除磺基水杨酸和3,5-二硝基水杨酸的研究发现，最适合的模型是Langmuir的模型，表现出很大的吸附能力。在一些药物化合物中，如双氯芬酸、乙酰水杨酸、咖啡因等，最适合的模型是Toht，尽管在其他化合物中最佳模型是朗缪尔。此外，酚类和衍生化合物的吸附已在活性炭和其他低成本吸附剂中进行。

　　活性炭和粉末活性炭中3,5-二硝基水杨酸吸附的传质研究

　　外部和粒子内传质过程的分析可以对3,5-二硝基水杨酸的吸附产生显着影响，在去除3,5-二硝基水杨酸时可能存在由于物质传输造成的限制，这有必要对这种现象进行分析。图2a是以外扩散模型为基础构建的，从中可以看出，对于活性炭，在吸附过程中接触长达6小时的实验点处存在一条直线，这表明存在以下可能性，在任何温度的过程中通过外部传质控制。图2b显示了粉末活性炭在3,5-二硝基水杨酸吸附中获得的实验数据的表示，其中在与吸附剂接触1小时时观察到一条直线。这表明使用活性炭粒子不存在外部传质问题，因为3,5-二硝基水杨酸会迅速从溶液中去除，扩散到表面。此外，这表明活性炭颗粒中的吸附过程可能是由于表面存在的官能团。根据这些结果，确定是否也存在内部传质问题很重要，从而能够确定3,5-二硝基水杨酸删除过程是否受到这种现象的存在的显着影响。

　　图2：不同温度下的外部传质分析(a)活性炭和(b)粉末活性炭。

　　粒子内传质模型在图3a中，只能看到两个阶段，外部扩散和平衡阶段，因为没有清楚地观察到粒子内扩散阶段。这表明外部传质直接参与了3,5-二硝基水杨酸的吸附，导致3,5-二硝基水杨酸分子延迟从溶液中去除并被捕获在活性炭表面，因此需要更多的吸附能，使得吸附容量与粉状活性炭相比较低，这与本研究中平衡吸附研究中获得的结果一致。

　　图3：不同温度下的外部传质分析(a)活性炭和(b)粉末活性炭。

　　对活性炭吸附中颗粒内传质限制的分析(图3b)表明可以观察到两个阶段，外部扩散，这是一个短阶段，因为它只发生在过程的第一个小时，给出了动力学常数比活性炭获得的数量级高出一个数量级。后来，平衡阶段被注意到。该结果表明吸附过程没有外部和颗粒内传质限制，但该过程受碳颗粒表面分子的捕获控制。这项研究表明，吸附能力和3,5-二硝基水杨酸去除百分比更大的原因之一是使用粉末状活性炭，因为它仅取决于表面上发现的官能团的参与;相反，对于活性炭，它不仅取决于吸附剂表面的参与，而且受外部质量传输影响的限制，证实与粉末活性炭相比，必须使用更多的能量从溶液中去除3,5-二硝基水杨酸。

　　活性炭吸附处理3,5-二硝基水杨酸的研究中，使用颗粒和粉末形式的商用活性炭分析去除能力，并在动力学过程和平衡状态下评估去除效果。在平衡研究中，发现吸附过程是在材料表面进行的，不受吸附质和吸附剂之间只有单层相互作用的限制;这可能是由于3,5-二硝基水杨酸吸附的吸热性质导致温度升高有利于该过程。就其本身而言，动力学研究表明活性炭和粉末具有不同的去除机制，具体取决于材料的形状，特别是对于活性炭，除了存在外部传质问题外，还存在具有异质吸附能的表面。另一方面，在粉末活性炭中发现需要两个活性位点来吸附3,5-二硝基水杨酸分子，并且表明不存在对其吸附能力产生很大差异的外部传质问题。所得结果表明，与活性炭相比，粉末活性炭具有更好的3,5-二硝基水杨酸吸附能力，这可能是吸附材料形状特征差异的结果。

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