活性炭吸附去除水溶液中鞣質(zhì)

　　棕櫚油加工廠產(chǎn)生的油性酸性褐色廢水，按體積計(jì)算約含95–96%的水，0.6–0.7%的油和4–5%的總固體(其中包括2-4%的懸浮固體)化學(xué)需氧量，生物需氧量和顏色強(qiáng)度較高。f廢水中中較高的顏色強(qiáng)度主要來自單寧(鞣質(zhì))，木質(zhì)素(即通常沉積在大多數(shù)植物細(xì)胞壁中的棕色有機(jī)聚合物化合物)的存在，以及其他有機(jī)物。這種鞣質(zhì)廢水排放到環(huán)境中會影響水生生物的生長，所以要在釋放到環(huán)境中之前，建議使用活性炭去除廢水中這些化合物，以避免對生物造成有害影響。

　　活性炭吸附是一種表面現(xiàn)象，其中污染物與高表面積的多孔固體(活性炭)接觸，并由于存在物理結(jié)合而沉積在活性炭(吸附劑)表面上和被吸附物和吸附劑之間的化學(xué)鍵。相對于上述其他方法，液相吸附在操作成本低和操作程序簡單方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。特別的是，活性炭可以由含碳前體制成，其顯示出高吸附能力并且對于某些有機(jī)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決于活化方法和前體的性質(zhì)。所以專業(yè)的活性炭生產(chǎn)與加工能定制出適合您工況的活性炭。

　　活性炭的結(jié)構(gòu)對鞣質(zhì)的吸附情況

　　我們使用了幾種材料制作活性炭，在圖1中分別顯示了掃描電子顯微鏡圖像，而圖1B，d顯示倍率變?yōu)榧t色虛線正方形部分中指示圖1的A，C分別。在新研發(fā)活性炭的表面上可以觀察到不規(guī)則的，不完整的橢圓孔，直徑在5至50μm之間(圖1c，d)，而在一般材料制成的活性炭表面上則沒有(圖1a，b)。這些孔是通過碳化過程中磷酸的蒸發(fā)而形成的。相反，在一般活性炭的表面上存在許多相對平坦的球狀團(tuán)塊(圖4)a，b)。這些觀察結(jié)果突顯了活性炭中不存在多孔結(jié)構(gòu)，而新研發(fā)的活性炭中存在多孔結(jié)構(gòu)。向右傾斜曲線在低的存在P/P0的范圍，并在中到高的磁滯回線P/P0的范圍是在活性炭分類IV型等溫線的特性(圖1e)中，這表明存在微孔(尺寸小于2nm或20nm的孔)和中孔(尺寸2至50nm或20至500nm的孔)(圖1f)。磁滯回線具有相對較低的陡度，可以歸類為H4磁滯回線，這表明中孔由窄的狹縫狀孔或具有不規(guī)則形狀和寬尺寸分布的內(nèi)部空隙的顆粒組成。鞣質(zhì)吸附后，活性炭的表面積減少了50%，而孔體積減少了39%，盡管孔徑進(jìn)行鞣酸吸附到活性炭的分布看起來相同，在圖1f顯示。

　　圖1：(a，b)一般活性炭和(c，d)新活性炭的掃描電子顯微鏡圖像和各自的放大倍數(shù);(e)新活性炭的N2吸附-解吸等溫線，(f)由N2等溫線分析得出的孔徑分布。

　　鞣質(zhì)(單寧酸)以中性形式存在，在溶液pH值低于4.5時，氧化態(tài)接近0。隨著pH值增加到4以上，單寧酸的電離趨勢平行增加，并在pH值7左右變得完全。在pH值pzc低于4.8(即pH值為2和4)下，活性炭具有帶正電的表面，因此中性單寧酸的吸附可能通過氫鍵和有機(jī)分配而不是靜電相互作用進(jìn)行。另一方面，在pHpzc為4.8以上，即pH為6時，活性炭的表面帶負(fù)電。在此pH值下，單寧酸離子化產(chǎn)生的帶負(fù)電荷的陰離子的濃度相對較高，這導(dǎo)致陰離子與帶負(fù)電荷的活性炭表面之間存在靜電排斥。在pH2和pH4的情況下不存在這種排斥，說明了它們具有更好的吸附物-吸附劑相互作用。

　　活性炭對鞣質(zhì)的吸附動力學(xué)

　　吸附動力學(xué)表示為特定時間溶質(zhì)的去除速率，溶質(zhì)的特性控制特定吸附過程所需的時間。圖2顯示了鞣質(zhì)在4、2、4、6和8的四個不同溶液pH點(diǎn)形式的活性炭上的實(shí)驗(yàn)吸附動力學(xué)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)分別使用非線性偽一階和偽二階動力學(xué)模型擬合，如圖2a，b所示。動力學(xué)擬合顯示為虛線。然后應(yīng)用線性粒子內(nèi)擴(kuò)散模型確定是否是吸附動力學(xué)中的限速步驟。

　　圖2：通過非線性(a)偽一階模型和(b)偽二階模型擬合在4、2、4、6和8的四個不同溶液pH下的實(shí)驗(yàn)吸附動力學(xué)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用點(diǎn)表示，等溫線擬合用虛線表示。

　　活性炭吸附去除水溶液中鞣質(zhì)，實(shí)驗(yàn)通過收集在2至6之間的不同pH值下的吸附平衡等溫線和動力學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步評估了活性炭去除水溶液中鞣質(zhì)(單寧)的適用性。活性炭在4的pH值下顯示出最高的吸附容量，這可以通過以下方式解釋：其帶正電的表面和在此pH下低濃度的帶負(fù)電的鞣酸種類。吸附動力學(xué)結(jié)果還表明，在2的pH值下，物理吸附是主要的吸附機(jī)制，在4到8的pH值下，化學(xué)吸附是主要的吸附機(jī)制，并且活性炭去除效率較好。

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