活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　在自然水中经常能检测到重金属离子的存在。因此，废水处理已成为重要的问题。虽然有很多处理方法但是这些方法需要很高的运营成本。吸附法是一种废水处理的优选方法，因为它简单，高效且易于操作。壳聚糖是最受关注的吸附剂之一，因为它的生物降解性，可利用性，高吸附能力和易于改性。壳聚糖是几丁质的脱乙酰基形式，几丁质是仅次于纤维素的第二大生物聚合物。壳聚糖在重金属离子的吸附方面具有非常高的效率和效果，因为它含有氨基和羟基，可与重金属离子发生配位和静电相互作用。壳聚糖通常用作细粉，废水处理后很难从溶液中分离出壳聚糖。壳聚糖易溶于酸溶液，机械性能较弱。为了克服这些缺点，我们在壳聚糖聚合物上添加活性炭，用不同含量的壳聚糖和活性炭进行壳聚糖复合膜的制备。

　　活性炭壳聚糖复合膜的制备

　　将壳聚糖添加到100 mL 2%(v/v)的乙酸溶液中并搅拌3小时，以获得壳聚糖溶液。将活性炭与壳聚糖溶液混合并搅拌2小时。将混合物倒在PET塑料容器上，并在40℃下干燥20小时。通过拉伸试验，XRD，FTIR和SEM对得到的壳聚糖复合膜进行了表征。成品测试方法用活性炭(0.05 g)添加到装有25 mL Cd2 +溶液的锥形烧瓶中。将混合物以150rpm的恒定速度摇动20分钟。吸附后，用UV-Vis分光光度计检查最终镉浓度。在各种接触时间(20、25、30、35、40和50分钟)，pH(2、3、4、5、6、7、8和9)下进行吸附研究，并使用0.1 M NaOH和0.1 M HCl)和Cd2 +初始浓度(15、25、35、45、55和65 ppm)。使用HNO3(0.001 M)进行再生实验。

　　进行SEM以研究材料的形态。图1显示了放大率为500x的壳聚糖膜(图1a)，活性炭(图1b)和活性炭壳聚糖复合膜(图1c)的SEM图像。活性炭的平均粒径为0.7μm(图4b)。壳聚糖膜的表面与活性炭壳聚糖复合膜的表面相比是光滑的，这是由于复合膜中存在活性碳。活性炭在壳聚糖膜中的分布由图证实。它还证实了壳聚糖薄膜覆盖了活性炭。

　　图1：(a)壳聚糖膜，(b)活性炭和(c)壳聚糖复合膜的SEM分析。

　　废水处理吸附研究

　　吸附研究是在各种接触时间，pH和Cd2 +的初始浓度下进行的。根据吸附前后的水溶液中Cd2 +浓度的差计算吸附容量。其中C0和Cf分别是初始浓度和最终浓度。W是吸附剂的重量，V是Cd2 +溶液的体积。根据公式2计算去除率%。研究了接触时间对壳聚糖复合膜吸附Cd2 +的影响20-50分钟。Cd2 +的初始浓度为10 ppm。结果显示在图2a中。

　　图2a显示，活性炭壳聚糖复合膜对Cd2 +的吸附容量在开始吸附时显着增加，并在达到40分钟后趋于恒定。吸附能力的提高是由于壳聚糖复合膜的大量空位活性位。通过增加接触时间，当活性位饱和时，活性炭壳聚糖复合膜的活性位降低，吸附达到平衡。

　　影响吸附容量的因素之一是pH。为了研究pH对活性炭壳聚糖复合膜对Cd2 +吸附能力的影响，在pH 2、3、4、5、6、7、8和9进行了实验。实验进行了40分钟，初始浓度为Cd 2+为10ppm。用0.1 N的NaOH和0.1 N的HCl调节pH。结果如图2b所示。

　　图2：接触时间(a)和pH(b)对活性炭壳聚糖复合膜对Cd2 +的吸附容量(Q)的影响。

　　根据图2b，活性炭壳聚糖复合膜在低pH值下对Cd2 +的吸附能力较低，并且通过增加pH值而增加。在pH为5时具有最高的吸附容量。在酸性溶液中，壳聚糖的氨基(-NH2)质子化为NH3 +。质子将占据大部分吸附剂活性位，由于静电排斥，吸附的Cd2 +量很少。通过增加pH，由于氢离子浓度的降低，氨基没有质子化。H +和Cd2 +在与吸附剂活性位点结合时的竞争降低了。但是，镉的沉淀可能会导致在pH高于8时吸附能力下降。取决于溶液的pH值，水溶液中的镉会因形成各种化合物而水解。

　　活性炭的再生利用

　　活性炭再生过程是工业中的重要因素之一，可以多次使用吸附剂，能让废水处理变得更加经济。通过将活性炭浸入0.001 N的HNO3中来完成再生过程。从溶液中分离出再生的活性炭，并洗涤至中性pH。然后将吸附剂干燥并重新用于吸附过程。在这项工作中，对壳聚糖和活性炭壳聚糖复合膜进行了再生。获得的结果如图3所示。在所有循环中，活性炭壳聚糖复合膜的吸附能力均高于壳聚糖膜。证实了壳聚糖膜中的活性炭含量提高了壳聚糖膜对Cd2 +的吸附性能。该改进对于工业废水处理中的应用具有重要意义。

　　图3：壳聚糖膜和活性炭壳聚糖复合膜的再生效率。

　　将活性炭用作壳聚糖复合膜制备的填料，能提高废水处理效率。经过实验表明发现在pH 5下，接触时间为40分钟的条件下，吸附量比较高。根据再生研究，活性炭壳聚糖复合膜表现出比壳聚糖膜更高的性能。这款吸附剂能很好的去除废水中的Cd2+。

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