活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭高效去除刚果红色染料

　　纺织业是工业上主要的水消耗行业，依赖于各种染料类型，包括反应性，直接，酸和分散的染料。刚果红(Cr)是一种以其充满活力以红色为特征的合成重氮染料，在纺织工业中历史悠久。Cr染料具有磺酸基团(–SO3-)，可在溶液中电离，从而使其具有净负电荷。将CR排入水体中会带来严重的环境和健康风险。这些染料通过改变水性质，促进富营养化和抑制植物的光合作用来破坏水生生态系统，最终损害水生生物。去除Cr和类似染料的高效和可持续处理方法已成为关键的研究领域。

　　活性炭由于其众多不同的优势，在吸附过程中引起了很大的关注。其高表面积是由其多孔结构引起的，为吸附物分子(例如刚果红)提供了丰富的结合位点，因此对于广泛的环境和工业应用，它的效率很高。此外，活性炭的固有再生能力可通过各种方法实现，可显着增强其经济和环境可持续性。此外，这些材料在环境上被认为是优秀的，对生态影响最小的，并且活性炭可以从各种碳质量来源产生。本文重点介绍了活性炭对刚果红的吸附处理效果和解吸再生的潜力，证明了活性炭在多次重复使用周期中保持效率的能力并突出了其经济和环境可行性。

　　活性炭的形态和元素特征

　　FESEM图像对吸附前后活性炭的形态变化提供了详细的视觉分析。吸附前图像(图1a)揭示了高度不规则和粗糙的表面形态，其特征是木质纤维素材料的多孔和片状结构。大型裂纹，空隙和颗粒状碎屑很普遍，所有这些都导致了高表面粗糙度，并增强了可用的表面积以吸附。此外，发达的孔隙的存在证实了正磷酸激活在建立层次多孔网络中的有效性，非常适合染料扩散。活性炭表面在吸附后经历了显着的形态转化(图1b)。最初粗糙和不规则的质地变得更加顺畅，表明刚果红分子的成功粘附。裂纹，空隙和孔隙开口的可见性降低，进一步支持了这种转变。进行EDS以分析活性炭的元素性质(图1C)。吸附之前，活性炭表现出C和O的主要峰，这确定了活性炭的形成。另外，在正磷酸激活期间引入的磷最初以痕量量存在。

　　图1：活性炭(a)吸附前和(b)吸附后的FESEM，(c)吸附前后活性炭的EDS光谱。

　　活性炭吸附刚果红的实验研究

　　pH效应如图2A所示，在pH5到6之间，CR去除效率的边际提高，然后在pH7周围较小的降低。有趣的是，随着pH从7的pH持续增加，去除效率的边际上升提高至10。pH5和6之间观察到的去除效率的略有提高归因于活性炭的pH PZC与Cr51的PKA之间的关系。当pH低于pH PZC时，活性炭带有正电荷，而在pH PZC上方的pH值水平上，它达到负电荷。另一方面，CR的PKA为4.1，这会影响其在溶液中的电离状态。在其PKA以下的pH值下，Cr主要存在于其质子化形式，其中胺(–NH2)和磺酸(–SO3-)组分别形成NH3+，SO3h和SO3h。在5至6的pH中，pH PZC为7.2的活性炭表面被带正电荷。同时，CR的PKA为4.1，主要以其去质子化形式存在。这种电荷差异促进了带电物种之间的静电相互作用，从而提高了吸附性能。但是，在pH7左右看到的吸附效率略有下降，这可能是由于其靠近pH值所致活性炭的PZC。在此pH值下，吸附剂是中性的，因此吸引带负电荷的Cr分子的可能性较小。

　　图2:吸附参数包括(a)pH值的影响，(b)剂量的作用，初始刚果红浓度的影响，以及(d)温度对刚果红在活性炭上吸附的影响。

　　吸附动力学

　　吸附容量与时间的关系图显示，由于CR溶液中的高浓度梯度和活性炭上丰富的活性位点，在最初的30分钟内CR的初始吸收很快(图3a)。这种最初的快速吸收可能是由物理吸附驱动的，其中CR分子通过范德华力与活性炭表面弱结合。随着吸附的进行，速率降低，最终在180分钟达到平衡。这个平台表明活性炭上的结合位点已经饱和。

　　图3：(a)吸附动力学，(b)吸附等温线和(c)van't hoff图，用于吸附Cr上的活性炭上。

　　解吸和吸附剂再生

　　在图4a中描述的解吸实验证明了溶剂类型对从支出的活性炭中去除CR的显着影响。溶剂按降低的解吸效率顺序为甲醇>乙醇>NaOH>HCl，其去除效率分别为55.28%，41.56%，23.66%和17.06%。与乙醇相比，甲醇的出色性能是由于其较低的分子量和较短的烃链。这些特性可能有助于更有效地渗透到活性炭的孔中，从而破坏CR-活性炭相互作用。此外，其较高的极性大概有助于破坏非共价相互作用，例如氢键或范德华力。相反，对NaOH和HCl观察到的较低的解吸效率表明，强碱或酸不容易逆转CR-活性炭的吸附。这可能是由于较大离子物种的孔穿透有限，可能受到空间效应或扩散屏障的阻碍，或者是由于与Cr反应后保留在孔中保留的不溶性沉淀物的形成。因此，选择甲醇作为再生研究的解剂溶剂。

　　图4：(a)使用不同的解吸剂后，cr的活性炭的吸附效率;(b)甲醇在六个连续吸附-吸附周期内通过甲醇的吸附效率。

　　在图4B中介绍的甲醇的再生研究表明，每个循环的CR去除效率和吸附能力都略有下降，但活性炭保留了其初始有效性的很大一部分。从第一个周期到第二个周期，吸附性能从74.80%降低到55.28%。但是，从第二个周期到第六周期，它几乎保持一致，达到42.27%-总体边际降低仅为43.49%。这种下降是由于CR分子的不完全解吸，活性炭表面官能团的改变以及在再生过程中活性炭的质量略有损失。然而，可重复性研究表明，可以有效地再生活性炭在多个周期中去除CR，从而强调了其在工业废水处理中可持续和经济应用的潜力。

　　活性炭的吸附机制

　　图5中描述了显示活性炭和CR之间相互作用机制的示意图。这项研究的发现表明，CR吸附在活性炭上受多基础机制的控制，化学吸附起着主要的作用，而物理吸附也对整个过程产生了重大贡献。然而，随着吸附的进展，PSO模型表现出了较高的拟合度，突出了化学吸附作用的增加。范德华力以及强大离子/静电(化学吸附)以及π -π相互作用(物理吸附)。此外，Cr分子中芳香环和偶氮组(–n=n–)的疏水性质通过与活性炭的非极性区域的有利相互作用而有助于吸附。

　　图5：示意图表示在吸附过程中SCAC和CR之间的关键相互作用。

　　活性炭高效去除刚果红色染料，并评估了其去除刚果红的有效性。FESEM图像显示，活性炭最初粗糙和不规则的表面形态在吸附后转变为更光滑的纹理，证实了CR分子的有效附着。通过XPS和FTIR分析的进一步表征确定了通过静电相互作用、氢键和π-π相互作用促进吸附的表面功能部分。吸附研究表明化学吸附是主要机制。解吸研究表明，甲醇是一种有效的解吸剂，使活性炭在多个循环中保持高吸附效率，突出了其可重复使用性。因此，活性炭作为去除刚果红染料的低成本和环保解决方案显示出巨大的前景。其高吸附能力和可重复使用性使其成为实际应用的可行选择。

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