活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　在水中有很多影响气味的化合物，其中土臭素是一种气味化合物，在通过各种微生物如蓝细菌作为代谢产物生成后通常存在于地表水中。这种化合物都存在于经过饮用水处理的原水中，有时存在于公共饮用水供应的自来水中。在饮用水处理过程中必须去除这些化合物，即使浓度低也会带有气味。由于活性炭的高孔隙结构，很适合吸附处理水中的化合物。所以我们研究了在没有和存在天然有机物质的情况下土臭素在活性炭上的吸附特性。

　　一般的处理方式是使用臭氧氧化的颗粒或粉状活性炭吸附用于去除微污染物，包括土臭素。吸附比臭氧氧化更简单，活性炭广泛用于饮用水处理厂。活性炭对土臭素的吸附能力较高，因为其表面疏水性和较大的比表面积。然而，吸附动力学非常缓慢，因此，需要较长的接触时间才能达到吸附平衡。为了克服这个缺点，我们研发了超细粉末状活性炭粒径<1微米。尽管由于活性炭颗粒内的扩散距离缩短，活性炭中的吸附物吸收率得到了提高，但由于其吸附能力的提高，动力学仍然很慢，需要较长时间才能达到吸附平衡，所以需要在此基础上研发更合适的活性炭材料。

　　活性炭材料的优点

　　氧化活性炭在其表面和边缘具有几个含氧官能团，包括环氧化物，羟基和羧基。因此，这种活性炭具有高亲水性并且很好地分散在水中。因为它的物理化学性质的，已广泛研究了电子设备，传感器，复合材料的应用。最近，氧化活性炭已被用作用于有机污染物，如染料，多环芳族烃等化合物。然而，其用于吸附除去土臭素的应用还不明确。因此，在本研究中，我们应用活性炭对土臭素的吸附去除，然后研究了天然有机物质对活性炭吸附这些气味化合物的影响。

　　批量吸附实验

　　在吸附动力学实验中，将100mL等分试样的水样品加入110-mL小瓶中，然后加入活性炭分散体。用PTFE盖封闭小瓶，手动摇动，然后在室温下机械搅拌。还制备了不含活性炭的对照样品。在吸附实验期间，从小瓶中收集10mL溶液并以10,000rpm离心3分钟。随后通过0.45μm孔径的膜过滤上清液，之后将滤液稀释10倍，然后加入10mL溶液和3.5gNaCl。放入20mL小瓶中。接下来，在样品中增加土臭素的浓度。最后计算活性炭上吸附的土臭素的含量。

　　吸附动力学

　　图1a显示吸附动力学研究中吸附在活性炭上的土臭素的量。在没有天然有机物质的情况下，吸附的土臭素的量在15分钟内达到2.5ng/mg，之后没有观察到变化，表明土臭素在活性炭上的吸附平衡在15分钟内达到。由于活性炭的孔隙结构，当土臭素到达吸附位点时，没有土臭素在活性炭上的吸附扩散，导致快速吸附。根据前面的方法，在天然有机物质存在下，在15分钟内达到吸附平衡。图1b表示残留土臭素的比例。天然有机物质不影响土臭素去除，在不存在和存在天然有机物质的情况下观察到22%的去除。此外，在不存在和存在天然有机物质的情况下，活性炭表现出对土臭素的快速吸附动力学，其中吸附平衡在15分钟内达到。

　　图1：(a)吸附的土臭素的量和(b)在没有和存在天然有机物质的情况下活性炭上残留的土臭素的比例。

　　吸附等温线

　　吸附平衡实验进行60分钟，这足以根据动力学研究达到吸附平衡。图3显示了在不存在和存在天然有机物质的情况下土臭素在活性炭上的吸附等温线。如图2所示，在天然有机物质存在下，吸附的土臭素的总量增加。这些结果意味着天然有机物质可以增加活性炭的吸附位点。带负电荷的天然有机物质增加，因为电排斥力，从而增加了活性炭吸附能力。

　　图2：土臭素吸附等温线。

　　在将土臭素吸附到活性炭上的过程中，氢键，疏水力和范德华相互作用可能有助于活性炭与每种气味化合物之间的整体相互作用。氢键相互作用对中性pH下菲和三氯乙烯的吸附有很大影响，因为活性炭上的含氧官能团周围形成水簇。在这项研究中，氢键相互作用可能部分地促进了土臭素在活性炭上的吸附，因为两种化合物的化学结构各有一个羟基，我们在中性pH(7.3-7.5)下进行了吸附实验。土臭素的羟基可通过氢键与活性炭上的含氧基团相互作用。然而，我们认为疏水相互作用是主要的，此外，土臭素的平面性也可能有助于更高的吸附量。

　　氧化活性炭由于其孔隙结构而表现出对土臭素的快速吸附动力学。在接触15分钟内达到吸附平衡。氧化活性炭与气味化合物的反应可能主要通过疏水相互作用发生。因为土臭素的高疏水性活性炭能更快的吸附。天然有机物质不影响活性炭对土臭素的吸附动力学，并且天然有机物质可能通过活性炭吸附位点的增加而增加吸附的土臭素的量。由于活性炭的表面亲水性较高，活性炭对这种气味化合物的吸附能力大大降低。控制活性炭上含氧官能团的含量可以提高气味化合物的吸附能力。

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