活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭除废水中的活性黑5染料

　　污水污染是一个主要的环境问题，其中一个关键问题是存在剧毒物质，特别是可能导致致癌问题的合成染料。这些类型的废水可归类为污染物含量高的工业废水。染料分为非离子型、阳离子型和阴离子型三种。这三者都溶于水，即使少量也可能有害。着色剂可分为天然染料和合成染料，合成染料是更常用的类型，有多种颜色可供选择。合成染料按其特定用途分类，即活性染料、直接染料、分散染料、碱性染料和还原染料。它们还根据其化学结构和不同的官能团进行分类，例如偶氮、蒽醌、硫、酞菁和三芳基甲烷。许多行业使用大量合成染料，这些染料在染色过程中可能会释放到废水中，因为它们具有顽固性、不可生物降解性、对氧化剂稳定和有毒，因此会对水生生物造成严重损害。已发现活性炭吸附是一种非常有效的处理方法。在这项工作中，制备了一种由活性炭和氯化铝组成的新型吸附材料，用于在各种实验条件下去除商业阴离子和蒽醌活性染料，即活性黑5染料。

　　活性黑5是一种常用的阴离子偶氮染料(C26H21N5Na4O19S6，分子量：991.82g/mol)(图1)。活性染料能够与所应用的纤维发生化学键合，形成共价键。它们广泛用于纺织行业，为棉和人造丝等纤维素纤维染色。染色和纺织品生产等工业过程中合成偶氮染料的存在对水资源构成重大威胁，因为它们会在水生环境中长期存在，并可能具有诱变和致癌作用。这些染料是一种危险品，会对环境造成严重威胁。

　　图1：活性炭黑5(C26H21N5Na4O19S6)的结构式。

　　铝改性活性炭的合成

　　椰壳被用作合成活性炭的原料，然后用氯化铝进行改性。简而言之，将0.8g的AlCl3添加到25mL中的5.0g活性炭样品中，以实现其改性。首先混合内容物(在25℃下1小时)，然后进行超声处理(2小时)、过滤并用蒸馏水洗涤。然后将混合物在60℃下干燥并煅烧5小时(500℃)以获得铝复合改性活性炭。在室温下冷却后，制备的吸附剂即可用于以下实验。

　　吸附实验

　　进行实验以研究改性活性炭对活性黑5吸附的有效性。将吸附剂引入含有10mL不同初始浓度的活性黑5染料溶液的试管中，保持温度。使用架空摇床和旋转器以80rpm的速度搅拌混合物。在实验过程中，在保持其他参数不变的情况下，独立地操纵各种实验因素。这些因素包括从2到10的pH水平，从2到300mg/L的活性黑5染料的初始浓度，从0.2到1.0g/L的吸附剂剂量(通过将0.002-0.01g添加到10mL的工作体积)，接触时间从5分钟到240分钟不等。吸附后，从管中收集样品并通过尼龙过滤器(0.45μm)，保存滤液用于测定。

　　活性炭用量的影响

　　进行了批次实验以研究特定材料去除活性黑5染料的潜力。在进行的实验中，改变了材料改性活性炭的用量，并测试了其从初始浓度为100mg/L、pH值为2、温度为25℃的水溶液中吸附活性黑5的效率，以及接触时间24小时。改性活性炭在去离子水中的用量在0.2和1.0g/L之间。此外，使用未改性的活性炭进行了类似的实验，以比较两种材料的效率。图2中的曲线表明，活性黑5的去除率随着剂量的增加而增加。例如，随着活性炭用量的增加，去除百分比从31%(使用0.10g/L)增加到99%(使用1.0g/L)。此外，数据显示0.8g/L的用量导致82.5%的活性黑5去除率。与未改性的活性炭相比，其吸附能力在改性过程中得到增强，实现的更高活性黑5去除率证明了这一点。

　　图2：与活性炭相比，改性活性炭用量对活性黑5吸附的影响。

　　吸附再生研究

　　通过回收研究调查了改性活性炭的再利用以从废水中去除活性黑5。进行实验时，最初使用100mg/L活性黑5和0.8g/L的改性活性炭，pH值为2。在第一个循环之后，使用0.01M/NaOH溶液对所使用的改性活性炭颗粒进行处理大约2小时。此后，用蒸馏水冲洗颗粒以除去任何残留的碱。选择被认为可接受的重复时间，以便能够在后续循环中重复使用吸附剂。研究结果如图3所示。在用1M/NaOH处理成功再生后，解吸的改性活性炭能够重复使用多达四个循环以去除活性黑5。活性黑5的去除百分比在第一个循环中约为77.3%，在第四个循环后下降至约45.9%。总的来说，这项研究证明了将改性活性炭吸附剂重复使用四个循环以从废水中去除活性黑5的潜力。

　　图3：改性活性炭上的活性黑5在碱性pH值下再生后进行四个吸附-解吸循环。

　　活性炭除废水中的活性黑5染料，对改性活性炭吸附剂的性能进行了评价，结果表明在pH值为2.0±0.1时，添加量为0.8g/L时，去除率达到82.5%，添加量为1.0g/L时，去除率达到82.5%。此外，在pH值2.0下，改性活性炭材料的带正电表面将通过静电力被吸引到活性黑5。在酸性pH水平下，活性黑5由于磺酸盐基团的去质子化而表现为阳离子，导致活性炭和吸附物之间的静电吸引。活性炭的吸附是多层的，更接近化学吸附，最后，改性活性炭成功再生并重复使用四个循环。

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