活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　在近期，地下水受到各种有机和无机化学物质的污染。特别是硝酸根离子污染地下水已成为饮用水的新问题。这个问题归因于用于施肥和处理牲畜排泄物的大量氮化合物。如果饮用含有过量硝酸根离子的饮用水会导致出现高铁血红蛋白血症并产生亚硝胺，这会起到致癌作用。因此，硝酸根离子的去除方法将成为保护地下水水质的方法之一。

　　到目前为止，已有传统的去除硝酸根离子的方法，如反渗透和离子交换。然而，从高运行成本的观点来看，这些方法包括缺点。另一方面，实现吸附成本低，操作简单并广泛用于水净化。虽然有几种吸附剂如沸石和硅胶，但由于多孔结构，大的表面积和孔体积都不如活性炭。并且活性炭还可以从各种材料和前体如生物质制备而无需任何特殊设施，因此活性炭可以在许多地区使用。近年来，活性炭已被开发作为污染物的净化材料，具有多种优点，例如易于操作和加工各种形状和尺寸。此外，活性炭具有疏水表面特性。

　　最近的研究表明，通过在活性炭表面引入官能团的化学和热处理，可以加强活性炭对离子污染物的吸附能力。通过氧化处理引入大量酸性官能团的活性炭对重金属吸附有效。还试验通过氨气处理引入活性炭的表面上的含碱性氮的官能团可以实现比未经处理的活性炭更好的吸附除去硝酸根离子。因此，预期碳表面上的诸如含氮官能团的碱性基团/位点对于离子物质的吸附是有效的，并且大量的碱性基团/位点可以增强离子物质的吸附。然而，硝酸盐吸附到活性炭上的机制，特别是平衡溶液pH(pH e)和同一溶液中存在的共存离子的影响尚未详细揭示。该信息对于制定活性炭以除去硝酸根离子和在净水厂的实际使用中选择活性炭是有必要的。

　　我们将活性炭在盐酸和氢氟酸中浸泡过夜而不摇动，并用热蒸馏水洗涤数次，直至洗涤溶液中的pH值不再变化。接着活性炭在110℃下干燥过夜，获得的样品储存在干燥器中。为了除去活性炭表面酸性官能团，将活性炭在氦气流下在管式炉中在800℃下加热至所需温度并保持1小时。为了将碱性基团/位点引入碳表面，进行氨气处理。在氦气流下，在管式炉中加热活性炭。炉中的气氛在200℃时从氦气变为氨气。将温度升至800℃的设定值，并保持1小时。在氦气流下将样品冷却至室温。

　　在批量实验中研究了硝酸根离子在活性炭上的吸附。将约50mg或100mg制备的活性炭分别加入到锥形烧瓶中的25mL或50mL NaNO 3溶液中，并将混合物在100rpm，25℃下振荡过夜。初始硝酸根离子浓度范围为100至800mg/L。

　　pH对活性炭吸附硝酸根的影响

　　活性炭上的硝酸根离子吸附量与溶液的pH e之间的关系如图1所示。硝酸根离子在碱性条件下几乎不被吸附，这意味着氢氧根离子会抑制硝酸根离子的吸附。另一方面，随着平衡pH的降低，硝酸根离子的吸附量增加。在碱性条件下，由于硝酸根离子与活性炭表面之间的静电排斥，硝酸根离子很难被吸附在活性炭上。另一方面，硝酸根离子的吸附量在酸性条件下增加，这归因于硝酸根离子与碳表面之间的静电吸引力。然而，随着平衡pH从3.0降低到2.0，观察到硝酸根离子吸附的显着降低。在此pH范围内，氯离子的初始浓度从2 m增加到20 m M，这意味着共存的氯离子会抑制硝酸根离子的吸附。通过NaCl溶液将氯离子的初始浓度固定在20 m M时，可以清楚地发现氯离子对硝酸根离子的吸附抑制作用，表明硝酸根离子在所有pH区域的吸附量均低于没有任何pH调节的溶液。因此共存阴离子会导致竞争吸附影响硝酸根离子吸附的效果，并且这种作用可能是较强的在共存阴离子的浓度较高。

　　图1.平衡pH下活性炭在25°C下吸附硝酸根的影响。

　　在这项研究中，通过氨气处理和除气来引入活性炭上的碱性基团/位点并从活性炭表面除去酸性基团以增强水溶液中硝酸根离子的吸附，以及硝酸根离子吸附与之间的关系。研究了溶液的pH值以及活性炭的表面电荷，以了解活性炭吸附硝酸根离子的基本机理。结论可归纳如下。

　　1、硝酸根离子的吸附取决于溶液的pH值，随着pH的降低，吸附量增加。

　　2、硝酸根离子的吸附在pH2时受到抑制，这意味着氯离子对硝酸根离子的吸附有抑制作用。

　　3、在通过除气和氨气处理处理的碳表面上引入碱性基团/位点将使活性炭表面带正电荷，增强硝酸根离子在水溶液中的吸附。

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