活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭吸附处理纤维板工业废水

　　纤维板是木纤维结块，主要用于家具制造。该产品多年来一直在增长，因为它具有高阻力、稳定性和高质量的表面处理，再加上合理的成本。在纤维板行业，由于危险化学品的浓度很高，加工过程对水生环境有有害影响。在这项研究中，使用两种不同类型的活化剂，即酸和碱，制成活性炭。确定并进一步讨论了活化剂对活性炭的理化特性和吸附效率的影响。此外，还评估了活性炭对三种不同金属离子的同时吸附，这些金属离子代表纤维板加工工业废水中的污染物。

　　纤维素、半纤维素和木质素含量

　　木质纤维素材料被认为是纤维素、半纤维素和木质素的混合物。纤维素和半纤维素由碳水化合物组成，构成全纤维素。纤维素是一种基于葡萄糖的线性聚合物，具有额外的氢键，使其坚硬、坚固且难以断裂。另一方面，半纤维素存在于次生细胞壁中，由不同戊糖和己糖的微小、高度支化的链组成。同时，木质素是一种非常复杂的物质，具有三维交联多酚结构，存在于纤维素和半纤维素细胞壁之间。

　　木质纤维素元素在活性炭的开发中起着重要作用。木质素含量高的材料开发出具有高大孔的活性炭，而纤维素产量高的材料开发出具有主要微孔结构的活性炭。在这些元素中，木质素具有显着优势，因为它可以抵抗化学和生物降解。木质素也被认为是烧焦材料中最丰富的成分。木质素含量似乎与固定碳含量相关，并在碳化后显着增加。吸附过程也受到木质纤维素纤维化学成分的强烈影响，尤其是-OH和芳族基团。

　　场发射扫描电子显微镜

　　使用FESEM分析观察了活性炭产品的浸渍和碳化温度影响的形态变化。图1a、b描绘了木质素在被激活之前的表面形态。它显示出厚而平坦的图案，中间有小裂缝。这归因于大量的木质素，一种酚类聚合物，赋予植物结构强度，使其具有坚硬粗糙的木材状结构。在图1b中，发现前体具有压实的表面，上面有浅而堵塞的孔隙图案。这可能是由于烘箱干燥过程中预处理和加热过程的反应。从图1a、b，由于无孔表面的存在，表面清楚地显示为不令人满意的吸附材料。

　　图1：活性炭原材料的表面形态。

　　使用不同化学碱的活化过程之间最显着的差异是在活性炭表面形成的图案，如图2a、b所示。用KOH和HNO3浸渍的活性炭具有更均匀和梳状的图案，而用KOH浸渍的活性炭具有明显更小的孔隙和稀疏分布。观察到活性炭表面上类似的孔隙发育。研究，其中用KOH浸渍的图案产生具有许多孔的海绵状结构。在480℃下，用KOH活化的活性炭的孔径为1.255至2.118nm。同时，用HNO3激活的活性炭中的孔径范围为4.9nm至6.8nm。

　　图2：10HNO活性炭和10KOH活性炭的表面形貌。

　　活性炭对纤维板工业废水批量吸附研究

　　在各种条件下研究了复合吸附剂的最佳吸附去除，包括ph值吸附剂用量和接触时间，这是决定吸附能力的重要参数。

　　在分批吸附研究中，pH值是一个重要因素，它会通过改变所用吸附剂的表面电荷分布来影响吸附过程。在6和14的范围内观察到木材加工废水中重金属(Mn、Fe和Zn)的pH相关影响。图3A、B清楚地表明，当纤维板加工废水中的Mn、Fe和Zn分别使用pH8时，两种活性炭均获得最佳结果。

　　吸附剂用量是调查污染物定量吸收的重要因素。使用不同用量的10KOH活性炭和10HNO活性炭去除铁、锰和锌的结果分别如图3C、D所示。对于吸附剂用量的影响，可以看到一个明显的趋势。正如预期的那样，通过增加吸附剂的量，金属的去除率也会增加，直到达到最佳阶段。本研究中最高吸附百分比记录在使用10KOH活性炭去除Mn时，当使用0.2g吸附物时为88%。相比之下，需要0.3g/L的10HNO活性炭才能去除87%的Mn。通过增加吸附剂用量，可以获得更活跃的吸附位点。这解释了吸附剂剂量增加导致更多污染物去除的趋势。

　　接触时间对吸附效率有显着影响，可用于阐明吸附过程的动力学。理论上，接触时间的增加会导致去除百分比增加，直至达到饱和水平。将10KOH活性炭和10HNO活性炭的最佳pH值和吸附剂用量设置为常数以确定最佳接触时间。如图3E、F所示，在接触时间的前30分钟内，记录了使用活性炭从废水中去除少量Mn、Fe和Zn。这种行为是由于携带不同类型污染物的水分子解离，需要一定时间才能有效发生反应。总体而言，结果表明，对于10KOH活性炭和10HNO活性炭，在最高去除百分比下的最佳接触时间均为120分钟。比较KOH浸渍的活性炭和HNO3浸渍的活性炭，10KOH活性炭显示出更高的去除率，Mn为96.14%，Zn为70.05%，但Fe略低，为45.93%。这可能是由于10KOH活性炭的微孔结构。

　　图3：(A)pH百分比对KOH浸渍活性炭去除Zn、Fe和Mn的影响，(B)HNO3浸渍活性炭去除Zn、Fe和Mn的pH值，(C)吸附剂用量对KOH浸渍活性炭去除Zn、Fe和Mn的影响，(D)吸附剂用量对HNO3浸渍活性炭去除Zn、Fe和Mn的影响，(E)接触时间对KOH浸渍活性炭去除Zn、Fe和Mn的影响，(F)接触时间对HNO3浸渍活性炭去除Zn、Fe和Mn的影响。

　　活性炭吸附处理纤维板工业废水，从目前的研究结果可以得出结论，KOH和HNO3可以以更快的过程和更低的活化温度生产活性炭。与未处理的原料相比，活化过程修饰了更多的官能团，如羟基、羰基和芳香族化合物，这可以提高吸附剂的性能。使用KOH从废水中吸附金属污染物的百分比更高，在pH值、吸附剂用量和接触时间的最佳参数下，Mn为96.14%，Zn为70.05%，Fe为约50%。然而，未来可以考虑进一步优化温度、金属初始浓度和摇动速度等参数的最佳值，以获得更详细的结果。去除Mn、Fe和Zn的预测值与实际值显示实际数据与从模型中获得的数据完全一致。因此，本研究中实现的所有预测模型都可用于充分、准确地预测重金属去除率。

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