活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭吸附去除水溶液中鞣质

　　棕榈油加工厂产生的油性酸性褐色废水，按体积计算约含95–96%的水，0.6–0.7%的油和4–5%的总固体(其中包括2-4%的悬浮固体)化学需氧量，生物需氧量和颜色强度较高。f废水中中较高的颜色强度主要来自单宁(鞣质)，木质素(即通常沉积在大多数植物细胞壁中的棕色有机聚合物化合物)的存在，以及其他有机物。这种鞣质废水排放到环境中会影响水生生物的生长，所以要在释放到环境中之前，建议使用活性炭去除废水中这些化合物，以避免对生物造成有害影响。

　　活性炭吸附是一种表面现象，其中污染物与高表面积的多孔固体(活性炭)接触，并由于存在物理结合而沉积在活性炭(吸附剂)表面上和被吸附物和吸附剂之间的化学键。相对于上述其他方法，液相吸附在操作成本低和操作程序简单方面具有独特的优势。特别的是，活性炭可以由含碳前体制成，其显示出高吸附能力并且对于某些有机化合物而言接近完全去除效率。但是，活性炭的吸附能力在很大程度上取决于活化方法和前体的性质。所以专业的活性炭生产与加工能定制出适合您工况的活性炭。

　　活性炭的结构对鞣质的吸附情况

　　我们使用了几种材料制作活性炭，在图1中分别显示了扫描电子显微镜图像，而图1B，d显示倍率变为红色虚线正方形部分中指示图1的A，C分别。在新研发活性炭的表面上可以观察到不规则的，不完整的椭圆孔，直径在5至50μm之间(图1c，d)，而在一般材料制成的活性炭表面上则没有(图1a，b)。这些孔是通过碳化过程中磷酸的蒸发而形成的。相反，在一般活性炭的表面上存在许多相对平坦的球状团块(图4)a，b)。这些观察结果突显了活性炭中不存在多孔结构，而新研发的活性炭中存在多孔结构。向右倾斜曲线在低的存在P/P0的范围，并在中到高的磁滞回线P/P0的范围是在活性炭分类IV型等温线的特性(图1e)中，这表明存在微孔(尺寸小于2nm或20nm的孔)和中孔(尺寸2至50nm或20至500nm的孔)(图1f)。磁滞回线具有相对较低的陡度，可以归类为H4磁滞回线，这表明中孔由窄的狭缝状孔或具有不规则形状和宽尺寸分布的内部空隙的颗粒组成。鞣质吸附后，活性炭的表面积减少了50%，而孔体积减少了39%，尽管孔径进行鞣酸吸附到活性炭的分布看起来相同，在图1f显示。

　　图1：(a，b)一般活性炭和(c，d)新活性炭的扫描电子显微镜图像和各自的放大倍数;(e)新活性炭的N2吸附-解吸等温线，(f)由N2等温线分析得出的孔径分布。

　　鞣质(单宁酸)以中性形式存在，在溶液pH值低于4.5时，氧化态接近0。随着pH值增加到4以上，单宁酸的电离趋势平行增加，并在pH值7左右变得完全。在pH值pzc低于4.8(即pH值为2和4)下，活性炭具有带正电的表面，因此中性单宁酸的吸附可能通过氢键和有机分配而不是静电相互作用进行。另一方面，在pHpzc为4.8以上，即pH为6时，活性炭的表面带负电。在此pH值下，单宁酸离子化产生的带负电荷的阴离子的浓度相对较高，这导致阴离子与带负电荷的活性炭表面之间存在静电排斥。在pH2和pH4的情况下不存在这种排斥，说明了它们具有更好的吸附物-吸附剂相互作用。

　　活性炭对鞣质的吸附动力学

　　吸附动力学表示为特定时间溶质的去除速率，溶质的特性控制特定吸附过程所需的时间。图2显示了鞣质在4、2、4、6和8的四个不同溶液pH点形式的活性炭上的实验吸附动力学数据。这些数据分别使用非线性伪一阶和伪二阶动力学模型拟合，如图2a，b所示。动力学拟合显示为虚线。然后应用线性粒子内扩散模型确定是否是吸附动力学中的限速步骤。

　　图2：通过非线性(a)伪一阶模型和(b)伪二阶模型拟合在4、2、4、6和8的四个不同溶液pH下的实验吸附动力学数据。实验数据用点表示，等温线拟合用虚线表示。

　　活性炭吸附去除水溶液中鞣质，实验通过收集在2至6之间的不同pH值下的吸附平衡等温线和动力学数据，进一步评估了活性炭去除水溶液中鞣质(单宁)的适用性。活性炭在4的pH值下显示出最高的吸附容量，这可以通过以下方式解释：其带正电的表面和在此pH下低浓度的带负电的鞣酸种类。吸附动力学结果还表明，在2的pH值下，物理吸附是主要的吸附机制，在4到8的pH值下，化学吸附是主要的吸附机制，并且活性炭去除效率较好。

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