活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭对水中氯代有机化合物的吸附

　　氯化有机化合物具有毒性，严重危害生态环境。目前，含氯有机化合物主要用于工业脱脂和干洗，但由于储罐处理程序不当，它们被释放到环境中，使含氯有机化合物污染土壤和地下水成为普遍问题。这些含氯有机化合物的后续处置通常发生在危险废物处置场，尤其是在城市工业区。在从环境中去除有机化合物的各种处理技术中，吸附是一种简单有效的方法。吸附操作过程更简单，成本更低，污染更少。在这项研究中，研究了三氯乙烯和全氯乙烯在两种不同吸附剂(硅胶和活性炭)上的吸附情况。

　　本研究根据吸附理论对实验数据进行处理，并使用Langmuir和Freundlich模型进行分析，以解释氯化有机化合物在硅胶和活性炭两种吸附剂表面的吸附行为。根据推导结果，我们可以了解两种吸附剂的吸附模式类型。此外，本研究涉及使用模型来预测吸附剂的去除效率和吸附剂的使用量，并将误差与实验值进行比较。此外，根据吸附实验的结果，结合实际污染地下水场地的现场修复评价，分析了所需吸附剂的质量和经济成本。最后，根据吸附结果估算修复过程中吸附剂的用量，进而提出修复过程中使用不同吸附剂的最佳方式及其成本估算。本研究希望根据实验室的吸附结果快速估算污染修复成本。

　　氯代有机化合物

　　氯化有机化合物即氯化脂肪烃，常见的种类有四氯乙烯、三氯乙烯、氯乙烯等。这些化合物都是氯化乙烯，具有高挥发性、低可燃性、低沸点和低爆炸性等特点。其中，三氯乙烯和全氯乙烯是高度氧化的(图1)。还原降解反应容易获得电子，氧化反应不易放出电子。因此，三氯乙烯和全氯乙烯在有氧环境中具有较高的化学稳定性。此外，三氯乙烯和四氯乙烯是地下水污染中最常见的氯化有机化合物，其氯化副产物包括1,1-二氯乙烯、顺式-1,2-二氯乙烯、反式-1,2-二氯乙烯和氯乙烯，对环境构成潜在威胁。

　　图1：(a)三氯乙烯和(b)全氯乙烯的结构。

　　活性炭吸附实验

　　考虑到地下水的平均流速很慢，每天只有1-2m，因此本研究中的所有吸附实验均不包括活性炭吸附剂添加后的外部因素(如摇动、搅拌等)。相反，吸附剂在沉淀过程中无需搅拌即可与水样发生反应，以达到与地下水环境相似的实验条件。将1微升三氯乙烯储备溶液(纯度≥99.5%)和全氯乙烯储备溶液标准品(纯度≥99.5%)添加到1mL甲醇溶剂稀释制成浓度为1424mg/L−1的三氯乙烯标准储备液和浓度为1625mg/L−1的全氯乙烯标准储备液。在高浓度吸附实验中，将400、450、500、550、600、650和700μL的标准储备液分别加入100mL超纯水中。摇匀后，加入10g硅胶，静置5、10、20、30、60、120分钟，测定吸附后水中的含量。此外，在低浓度吸附实验中，将40、45、50、55、60、65和70μL的标准储备液分别加入100mL超纯水中。摇匀后，加入10mg活性炭，静置5、15、30、60、120、180、300秒，测定吸附后水中氯代有机化合物含量。在进行吸附实验时，室温控制在20℃以下，避免氯代有机化合物因蒸发而损失。为了避免玻璃器皿/小瓶/瓶盖引起的吸附现象，每个吸附实验都会有一个对照组。即在已知浓度的溶液中，不加吸附剂，最后上电脑计算回收率，将回收率控制在90%以上。

　　Langmuir和Freundlich等温线吸附模式

　　吸附等温线通常用作吸附分子与吸附剂表面相互作用的计算工具。本研究采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型对吸附实验数据进行回归和预测。从数据的线性回归中，可以导出两种模式的所有参数。这些方程可用于解释不同种类的吸附剂(硅胶和活性炭)去除吸附物的能力。将硅胶(图2)和活性炭(图3)对氯代有机化合物的吸附数据代入Langmuir和Freundlich等温吸附方程，线性回归为使用1/qe与1/Ce执行。根据图2和图3中的回归方程，计算等温线的参数。结果表明，Langmuir和Freundlich等温线线性回归的r2值吻合较好，均大于0.95。

　　图2：(a)活性炭和(b)硅胶吸附氯代有机化合物的实验数据，符合Langmuir等温线的线性形式。

　　图3：(a)活性炭和(b)硅胶吸附到氯代有机化合物上的实验数据，符合Freundlich等温线的线性形式。

　　研究进行原位修复

　　预测了去除局部有机污染物所需的吸附剂(硅胶和活性炭)的质量和所需的去除成本。受有机物污染的地下水深度为15–30m。将污染案例中的初始污染浓度和水体积代入Langmuir和Freundlich模型以计算用作吸附剂所需的硅胶和活性炭的质量和用量。用活性炭作为渗透吸附屏障的吸附剂，应用于地下水的修复，取得了良好的去除效果。因此，在本研究中，通过硅胶将氯代有机化合物浓度降低至低浓度，然后加入活性炭。

　　活性炭对水中氯代有机化合物的吸附的究结果表明，硅胶和活性炭对含氯有机物的吸附能在短时间内达到吸附平衡。随着污染物浓度的增加，吸附剂的平衡吸附容量也增加，硅胶和活性炭对全氯乙烯的去除效率优于三氯乙烯。根据等温线吸附常数，两种吸附剂对TCE和PCE的吸附实验中Langmuir常数的R L值在0-1之间。Freundlich常数的n值均大于1，结果表明两种吸附剂均有利于三氯乙烯和全氯乙烯的吸附。此外，活性炭吸附的三氯乙烯和四氯乙烯的弗氏常数值高于硅胶。这一结果可能与活性炭比硅胶具有更高的比表面积，因此其吸附能力更好有关。

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