活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭对邻苯二甲酸酯吸附中乙醇的影响

　　邻苯二甲酸酯可以改善塑料的成型和加工性能，赋予材料良好的塑性和抗拉强度。因此，它们被广泛用作各种领域的增塑剂，包括建筑、食品包装等。邻苯二甲酸酯可以长距离运输，导致其广泛分布于室内灰尘、食物、水、空气和土壤中。因此，它已成为了重要的新兴污染物，所以需要吸附去除处理。乙醇对邻苯二甲酸酯在活性炭(AC)上的吸附有很大的影响，这通常被忽视并且几乎没有研究。本研究调查了乙醇对酒精溶液中邻苯二甲酸酯吸附的被忽视的影响。

　　活性炭对邻苯二甲酸酯吸附

　　酸碱度影响，溶液的pH值是其性质的重要指标。pH影响活性炭表面基团上的电荷类型以及溶液中目标分子的电离状态，从而影响吸附。电离平衡常数(pKa)描述了物质在水中解离氢离子的能力。当溶液的pH值高于其pKa时，物质被电离，以离子状态存在。邻苯二甲酸(H2-PA)的两个羧酸基团的pKa值为2.9和5.4。以往的研究表明，PAEs在不同的pH值下具有不同的电离效果。在低pH条件下，DBP以H2-PA形式存在。随着pH值的增加，DBP被去质子化并带负电荷。与以前的研究不同，溶液的pH值是使用有机酸和碱(如乙酸和吡啶)而不是HCl和NaOH来调节的。大多数酒精饮料在其系统中主要含有有机酸和碱(通常是乙酸和生物胺)。因此，鉴于它们的实际应用，有机酸和碱用于研究pH值对DBP吸附的影响。如图1所示，在pH值介于3和8之间(甚至超过pHpzc)时，吸附容量没有显着变化，这与水系统中的现象有很大不同，在水系统中，当pH值超过时，吸附性能通常会下降pHpzc。可能的解释如下：(1)DBP在活性炭上的吸附主要不是由于含醇水溶液中的静电相互作用。醇溶液中弱有机酸和碱的电离程度不​​如在水中完全。(2)主要的吸附相互作用可能是由于疏水性以及氢键和π-πEDA，正如FTIR所证实的那样。

　　图1：溶液pH对邻苯二甲酸二丁酯吸附能力的影响。本文图例中的每个体积分数为乙醇含量。

　　乙醇对活性炭吸附的影响

　　在富水系统中，大部分乙醇分子被水分子水合并与水分子形成簇。这意味着游离乙醇的量是有限的，导致乙醇在DBP上的竞争吸附有限。此外，含有少量乙醇分子的水簇也弱阻碍了疏水性DBP的吸附，如图2所示。然而，乙醇簇是在富含乙醇的系统中形成的。灵活的乙醇簇很容易与其他分子碰撞，导致外部能量损失。因此，乙醇由于对DBP的高亲和力可以与DBP形成簇，它们的碰撞会对DBP扩散产生不利影响。此外，游离乙醇可以对DBP形成强烈的竞争吸附。乙醇对DBP吸附的影响见图2。乙醇含量为30或50v%时，ΔG值为负，表明DBP在活性炭上的吸附是自发过程，从热力学角度来看反应是可行的。然而，当乙醇含量超过50v%时，ΔG变为正值，表明吸附非常困难，不能自发进行。

　　图2：活性炭吸附过程中DBP和水-乙醇簇的机理图。

　　分子动力学模拟分析

　　建立了五种吸附模型来分析不同乙醇含量下DBP的分布。图3显示了平衡后模型的快照。如图3a-e所示，随着乙醇含量的增加，DBP逐渐远离活性炭。这意味着乙醇降低了活性炭对DBP的吸附作用。图3b-e显示DBP始终被乙醇包围，这证明了上述共溶剂效应。通过模拟吸附体系中乙醇含量的变化和分子水平上相互作用能的变化，揭示了含醇体系中PAE去除的一般规律。在实际系统中，如酒精饮料，挥发性化合物的存在对PAEs的去除也有一定的影响。因此，进一步研究了挥发性化合物对实际白酒中活性炭吸附PAEs的影响。

　　图3：不同乙醇含量溶液的模型快照：(a)0v%、(b)30v%、(c)50v%、(d)70v%、(e)100v%。

　　活性炭吸附对挥发性化合物的影响

　　通过对两种姜味白酒样品的检测分析，主要挥发性成分可分为酯类、醇类和酸类三大类。白酒Ⅰ中酯类、醇类和酸类分别占48.92%、18.72%和19.78%，而醛类和酮类等其他化合物分别仅占6.59%和3.21%。白酒二代中酯类、醇类和酸类分别占64.34%、6.59%和28.03%，醛类、酮类等其他化合物分别占0.68%和0.29%。白酒I中DMP和DBP的浓度分别为7.12mg/L和8.41mg/L，活性炭对它们的吸附量分别为1.57mg/g和2.77mg/g。与之前在模拟乙醇-水环境中的吸附容量(DMP为2.55mg/g，DBP为13.36mg/g)相比，有显着下降，尤其是DBP(下降了79.27%)。白酒II中，单组分DBP和多组分PAEs中各PAE的浓度为10mg/L，活性炭对PAEs的吸附能力都不一样。白酒Ⅰ中挥发性物质的总量为1560.60mg/L，经吸附实验后降低了278.96mg/L。活性炭对DBP的吸附能力下降了79.27%。白酒Ⅱ的挥发性物质总量为894.20mg/L。在单组分DBP和多组分PAE吸附实验后，减少量分别为23.09mg/L和5.42mg/L。在含DBP的体系中，活性炭对DBP的吸附量下降了47.61%。在多组分PAE体系中，活性炭对DBP、DEHP和DnOP的吸附能力分别下降了72.15%、51.60%和38.76%。这意味着真实白酒样品中挥发性化合物的浓度越高，活性炭吸附的PAE就越少。

　　活性炭对邻苯二甲酸酯吸附中乙醇的影响，乙醇含量对PAEs在活性炭上的吸附有显着影响，这是PAEs最常用的吸附剂。与绝对水中的PAE吸附相比，pH不影响酒精环境中的PAE吸附。然而，乙醇的存在导致吸附容量显着降低和平衡时间增加。随着乙醇浓度的增加，活性炭吸附PAE的能力迅速下降，平衡时间大大延长。分界点为50v%，高于该分界点，活性炭对DBP的吸附性能显着恶化。这可能是由于形成了水-乙醇-DBP簇。与DEHP和DnOP相比，具有较短链的DMP和DEP受乙醇存在的影响更显着，它具有更长的链，并且仅在乙醇含量超过50v%时才会受到不利影响。在分子动力学模拟的微观分子分布图中，DBP倾向于分布在远离活性炭且乙醇含量较高的地方，这与实验结果一致。该研究显示了酒精对PAE在活性炭上的吸附的显着影响，并促进了对酒精系统中PAE吸附机制的理解。这有利于活性炭在从酒精溶液中去除PAEs的实际应用，酒精溶液更容易受到PAE污染。在实际白酒样品中的应用结果表明，由于白酒中香气成分的含量发生变化，PAEs的吸附对白酒风味具有重要影响。

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