活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　对羟基苯甲醚，又名对甲氧基苯酚，是一种重要的精细化工中间体和高效的抗氧化剂，广泛应用于聚合物单体、化妆品、药品、油脂和食品的稳定化过程中。随着其需求的增长，生产和使用MeHQ的工业过程不可避免地会产生含有此类物质的废水。MeHQ具有一定的生物毒性和化学稳定性，难以被传统生物降解方法有效去除，若排入水环境，可能对水生生态系统和人类健康构成潜在风险。因此，开发高效、经济的技术以去除废水中的MeHQ显得尤为迫切。

　　目前，处理含酚类化合物的废水方法包括高级氧化法、膜分离法、生物降解法以及吸附法等。其中，吸附法因其操作简便、效率高、成本相对较低且设计灵活而被认为是最有前景的技术之一[7]。在众多吸附剂中，活性炭由于其巨大的比表面积、发达的孔隙结构和丰富的表面化学官能团，被公认为是最通用和有效的吸附剂之一，广泛应用于水和废水处理中，用于去除各种有机微污染物[8,9]。

　　尽管活性炭已被用于吸附多种酚类化合物，如苯酚、对硝基苯酚等[10,11]，但关于其特异性吸附去除MeHQ的系统研究仍相对有限。MeHQ分子结构中的甲氧基(-OCH3)和羟基(-OH)可能与其吸附行为和机理密切相关，值得深入探究。

　　本研究旨在全面评估商业活性炭对水溶液中MeHQ的吸附性能。具体目标包括：(1)探究溶液初始pH、接触时间、初始浓度和温度对吸附过程的影响;(2)利用动力学模型阐明吸附速率控制步骤;(3)通过等温线模型确定吸附容量和吸附特征;(4)通过热力学参数评估吸附过程的自发性和热效应;(5)初步探讨可能的吸附机理。本研究结果将为活性炭应用于处理含MeHQ工业废水提供重要的理论依据和技术参考。

　　材料与方法

　　化学品与材料

　　对羟基苯甲醚(MeHQ,C7H8O2,≥99%)购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。实验所用商业活性炭(粉末状)购自国药集团化学试剂有限公司。使用前，将活性炭用超纯水反复洗涤至洗涤液呈中性，随后置于105℃烘箱中干燥24小时，密封保存备用。盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)用于调节溶液pH值。所有化学品均为分析纯，所有溶液均使用超纯水(18.25MΩ·cm)配制。

　　吸附实验

　　所有吸附实验均在恒温摇床中以批量模式进行。将一定量的活性炭(20.0mg)加入250mL锥形瓶中，并加入100mL已知初始浓度(C0,mg/L)的MeHQ溶液。用0.1M/HCl或NaOH溶液将混合液的初始pH值调节至预定值。随后，将锥形瓶密封后置于摇床中，在预定温度下以150rpm的转速振荡至设定时间。

　　到达预定接触时间后，取适量样品并通过0.22μm水系微孔滤膜过滤以分离吸附剂。使用紫外-可见分光光度计(UV-2550，岛津公司)在特定波长(λmax=288nm)下测定滤液中MeHQ的剩余浓度(Ct,mg/L)。

　　每个实验均设置平行组，结果取平均值。

　　表征

　　采用傅里叶变换红外光谱对吸附前后的活性炭样品进行分析，扫描范围为4000-500cm⁻¹，以识别表面官能团的变化。

　　结果与讨论

　　初始pH值的影响

　　溶液初始pH值是影响吸附过程的关键因素，它既影响吸附剂的表面电荷，也影响有机污染物的存在形态。

　　吸附动力学

　　为研究吸附速率和机理，进行了不同初始浓度下的时间梯度实验。伪二级动力学模型能更好地拟合实验数据，表明化学吸附可能是速率控制步骤。

　　吸附等温线

　　在恒定温度下，研究了不同初始浓度对吸附平衡的影响。Langmuir模型拟合度更高(R²>0.99)，表明MeHQ在活性炭表面的吸附更倾向于单分子层吸附。

　　吸附热力学

　　通过在不同温度(25,35,45℃)下进行实验，计算了吉布斯自由能变(ΔG°)、焓变(ΔH°)和熵变(ΔS°)。ΔG°为负值表明吸附过程是自发的;ΔH°为负值证实其为放热反应。

　　吸附机理探讨

　　通过FT-IR对比吸附前后的活性炭，发现(描述官能团峰位的变化)，表明活性炭表面的羧基、酚羟基等含氧官能团与MeHQ分子之间存在氢键相互作用。此外，活性炭的巨大比表面积和π-π共轭效应也可能在吸附过程中发挥重要作用。

　　本研究成功证实了商业活性炭可作为去除水溶液中對羟基苯甲醚(MeHQ)的高效吸附剂。吸附过程强烈依赖于溶液的pH值，最佳pH范围在5-7之间。吸附动力学遵循伪二级模型，平衡吸附量随初始浓度增加而增大。Langmuir等温模型能很好地描述吸附行为，在25℃下的最大吸附容量高达312.5mg/g。热力学参数(ΔG°<0,ΔH°<0)表明吸附是一个自发的、放热的物理化学过程。FT-IR分析表明，氢键作用、π-π相互作用和静电吸引是主要的吸附机理。本研究结果表明，活性炭吸附技术对于处理含MeHQ工业废水具有操作简单、效率高和成本效益好的显著优势，具备良好的实际应用前景。

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