活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　亚硝酸盐和氨通常在水中共存。因此，用于同时除去亚硝酸盐和氨的方法是非常重要的。这次我们通过活性炭混合锌铁氧体制成的催化剂，并通仪器测试合成活性炭的基本属性，与活性炭锌铁氧体物质起到光催化剂的作用，研究在紫外可见光照射下在厌氧条件下同时除去亚硝酸盐和氨的能力。

　　在光催化剂中，锌铁氧体由于自身特征被常用于光催化氧化有机污染物，减少二氧化碳，硝基芳族化合物，和氢气的产生。我们设计了光催化同时去除亚硝酸盐和氨，通过偶合锌铁氧体和活性炭形成的混合催化剂，它可以模拟厌氧条件下的脱氮过程，同时在紫外可见光照射下去除亚硝酸盐和氨，以及在有氧条件下的硝化过程以消除残留的氨。活性炭用于增强光催化活性，因为它可以吸附基质分子并促进光生电子空穴对的分离。

　　活性炭锌铁氧体的合成

　　采用一步水热法。将制备的含有Zn(II)和Fe(III)的溶液加入到10mL活性炭水悬浮液中，然后，剧烈搅拌1小时。最后，将活化剂缓慢滴加到活性炭混合的棕色悬浮液中，同时连续搅拌1.5小时。接着加入去离子水到悬浮液中增加总体积。将活性炭悬浮液转移到不锈钢高压釜中，将其密封并在180℃下加热8小时。然后，将其自然冷却至室温，取出并过滤，得到活性炭锌铁氧体沉淀物。用去离子水洗涤活性炭沉淀物三次以除去过量的活化剂和其他电解质。收集沉淀物并在真空室中在60℃下干燥24小时以进行表征和光催化测试。

　　混合材料的形态学观察

　　通过TEM观察分析了活性炭，锌铁氧体和活性炭锌铁氧体混合物的形态和结构特征。图1的A，B示出了活性炭的图像。图1C上清楚显示了锌铁氧体颗粒尺寸非常均匀，范围从6到9纳米，也与通过XRD测量的尺寸一致。活性光催化剂合成中连续搅拌的期间，Fe(III)和Zn(II)离子被吸附到活性炭材料的多孔结构，活性炭通过负载锌铁氧体而起到载体的作用，在高分辨率透射电子显微镜图像可发现锌铁氧体在活性炭内的分布。

　　图1：活性炭，锌铁氧体，活性炭锌铁氧体催化剂的HRTEM图像和TEM图像。

　　活性炭同时去除亚硝酸盐和氨

　　使用玻璃光反应器进行除去亚硝酸盐和氨的实验，如图2所示。高压汞灯(300W)被水流包围，保持25°C，放入含有亚硝态氮的250mL悬浮液中(50mg/L)，硝态氮(100mg/L)和1.5g/L活性炭锌铁氧体催化剂。将悬浮液的pH调节至9.5。将悬浮液用氮气鼓泡，在30分钟内磁力搅拌下除去溶解氧，进行光催化试验。取出溶液(3mL)以0.5小时的间隔测定亚硝酸盐，氨或硝酸盐的浓度。

　　图2：同时去除亚硝酸盐和氨的实验装置。

　　亚硝酸盐和氨的记录的紫外可见吸收光谱分别在图3中。图3AB明确显示当活性炭用作光催化剂时，在厌氧条件下，亚硝酸盐和氨的浓度与辐照时间同时下降。对照试验也在活性炭催化剂存在或不存在下进行，照射或在黑暗中或不存在一种组分时进，亚硝酸盐和氨的去除率如图3CD所示。在活性炭锌铁氧体照射下，氨降解的平均去除率达到64.3%，而在没有活性炭的情况下去除率仅为18.8%。结果明显的是的活性炭锌铁氧体具有同时去除亚硝酸盐和氨的光催化功能。

　　图3：在各种辐照时间在活性炭锌铁氧体光催化剂存在下，在厌氧条件下亚硝酸盐(A)和氨(B)的紫外可见吸收光谱记录。

　　光催化的过程

　　在第一阶段，在光照下厌氧条件下氨存在下将亚硝酸盐还原为氮气，三次运行中亚硝酸盐的平均去除率达到93.3%，3小时内误差为±0.2%。同时，三次运行的氨的平均去除率接近64.5%，误差为±0.2%。也就是说，溶液中剩余的氨需要降解以实现氮的除去。因此，在第二阶段，将含有硝态氮的溶液充气20分钟。然后，打开灯以继续除去剩余的氨。在辐照期间的第12小时，三次运行的亚硝态氮，总氮和亚硝态氮的平均去除率分别达到90.0%以上，误差为±0.2%，去除了大部分总氮。结果表明，与二氧化钛相比，活性炭锌铁氧体在类似条件下对亚硝态氮和硝态氮的去除效果更好，整个光催化过程如图4所示。

　　图4：通过活性炭光催化还原亚硝酸盐和氧化氨以释放氮气。

　　在紫外可见光照射下，基于活性炭锌铁氧体催化剂通过两个步骤成功地同时去除亚硝酸盐和氨。通过气相色谱检测产物表明在光催化过程中氮气被释放出来。XPS测量和锌铁氧体能带结构分析表明，锌铁氧体的还原电位低于亚硝酸盐的还原电位，因此光生电子可以在照射下将亚硝酸盐还原为氮气。对比下高于氨的电位，因此光生空穴可以将氨氧化成氮气。活性炭引起带隙的红移，光生电子空穴对的分离，亚硝酸盐和氨的吸附，促进光催化活性。

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