活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　砷是最普遍的饮用水有关的问题之一，可溶性砷可以在水中以无机和有机形式存在。无机砷化合物(例如主要存在于地下水中的化合物)具有危害性高，而有机砷化合物(主要存在于海产品中)危害较小。此外，无机砷可以以几种氧化态出现，这取决于水的物理化学特性，但在天然水体系中，它主要被发现为三价坤或五价砷。在本文中，我们介绍了一种创新的基本碘浸渍的活性炭，以氧化能力为特征，开发并应用于在富含砷的水中将亚砷酸盐氧化成砷酸盐。进行分批和柱实验以测试材料的氧化能力。还进行了与通常用于砷处理系统的氧化剂的比较。此外，该材料已与铁基砷吸附剂一起进行测试，以验证其是否适合饮用水的去砷化。

　　用于活性炭制备的材料

　　基本碘浸渍活性炭通过在颗粒状活性炭上浸渍基本碘，通过多碘化物湿法处理来制造。多碘化物化学前体是NaI 3在水溶液中的反应制备。然后将活性炭加入NaI 3溶液中以实现碘的浸渍。最后，过滤混合物，用蒸馏水洗涤(以除去未反应的碘)并干燥，得到最终材料浸渍活性炭。我们生产了各种类型的浸渍活性炭，它们具有不同的聚碘化物负载，并经过广泛的测试和应用测试。

　　基本碘浸渍活性炭表征

　　图1显示了碘浸渍活性炭的SEM图像。生产过程不影响活性炭的表面，并且在浸渍过程之前比较碘浸渍活性炭和活性炭没有观察到表面差异。EDS结果显示颗粒上存在碘，证实了浸渍的成功。

　　图1： 基本碘浸渍活性炭的SEM图像和EDS元素分析。

　　砷氧化：快速小规模柱实验

　　将5ml直径为1.2cm的注射器装入3cc的碘浸渍活性炭，以形成2.5cm长的填充柱。将棉滤器置于柱的末端，以避免活性炭的损失。使用设定为10ml/分的蠕动泵，将50mg/L砷溶液从顶部到底部连续地在柱中流动。溶液通过柱子，从底部喷嘴排出，并以150ml的份数收集，用于定期pH监测。此外，在完成每次150ml的回收之后，从塑料小瓶中的喷嘴取出从柱中排出的下列1ml溶液用于砷化学分析。当50mg/L砷溶液的氧化效率低于90%(意味着砷酸盐浓度低于45mg/L)时，停止试验。

　　图2：组合(氧化和砷吸附)柱实验的方案。

　　与砷吸附剂结合使用

　　基于氧化实验的结果，为了测试在完整的砷处理系统中的适用性，即能够氧化亚砷酸盐和去除砷的系统，我们还使用碘浸渍活性炭结合进行批量和柱子测试。铁浸渍活性炭，遵循基于铁盐蒸发浸渍的方法。批次实验比较了来自亚砷酸盐污染的地下水的砷吸附动力学，有或没有碘浸渍活性炭的初步氧化。相反，柱实验通过连续柱实验测试了两种机制的实时协同作用，其中亚砷酸盐污染的地下水首先在填充有碘浸渍活性炭的柱中流动，然后在填充有铁浸渍活性炭的柱中流动。

　　柱实验结果

　　我们的柱实验可以被认为是一种压力测试，因为亚砷酸盐的含量远远高于天然水中常见的浓度。也使用如此高的浓度以不过度延长实验时间。在基于蒸馏水的实验中，并且使用碘浸渍活性炭，测得砷的氧化效率大于90%直至1.5L被氧化，并且在对于1cc碘浸渍活性炭，氧化能力为约25mg砷。之后，氧化效率逐渐降低，在2.5L左右下降至低于50%(图3a)。

　　图3：柱式研究中的砷氧化速率性能使用3cc碘浸渍活性炭在输出水中的砷酸盐浓度。

　　活性炭在砷吸附系统中的整合

　　采用分批程序作为测试亚砷酸盐氧化与砷吸附的整合的第一种方法。批量实验的条件类似于检查亚砷酸盐氧化动力学的条件。将碘浸渍活性炭和铁浸渍活性炭的量引入加入亚砷酸盐的地下水(天然不含砷)中并混合4小时。确定碘浸渍活性炭的量是因为氧化实验表明这样的量允许亚砷酸盐在4小时内完全氧化。在10分钟，1小时3小时和4小时后取样1ml的等分试样，通过过滤器过滤并分析总砷。进行相同的实验，仅在亚砷酸盐加标地下水中引入铁浸渍活性炭。分析结果允许计算每个采样步骤中砷吸附的百分比。碘浸渍活性炭的氧化显着提高了铁浸渍活性炭的砷吸附效率(图4)。

　　图4：使用或不使用碘浸渍活性炭时，铁浸渍活性炭上砷吸附动力学的比较。

　　我们证明了碘浸渍活性炭在地下水中亚砷酸盐氧化中的适用性。柱试验的结果表明，测试的两种碘浸渍活性炭的氧化效率很好。因此，碘浸渍活性炭可以提高砷吸附介质(例如氧化铁或铁改性的活性炭)的效率。另外使用碘浸渍活性炭代替通常用于亚砷酸盐氧化的氧化剂的主要优点是持久的氧化能力，固态和没有直接的化学危害。这些特征允许水处理系统的更简单设计(不需要用于氧化剂的定量给料装置)，并且易于安全地运输和处理。

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