活性炭對四溴雙酚A的吸附
四溴雙酚A被廣泛用作紙張，紡織品和塑料產(chǎn)品中的添加劑或阻燃劑，尤其是電子產(chǎn)品，可以減少易燃性。問題是在水，沉積物，滲濾液等環(huán)境樣品中檢測到四溴雙酚A。由于它會對人與環(huán)境有害，因此，工業(yè)上需要去除后才能排放，去除方法包括氧化，熱解和吸附等。其中，活性炭吸附由于其廉價，效果好和便于后續(xù)操作而成為比較受歡迎的處理方法之一。但是商業(yè)活性炭的原材料椰子殼，木材，煤等成本越來越高導(dǎo)致使用活性炭大規(guī)模廢水處理的價格變高了。所以我們要開發(fā)一種比較便宜好獲取的植物材料來大規(guī)模生產(chǎn)合適的活性炭。
本研究利用好獲取的植物材料制備了一種新型多組活性炭，研究了水性四溴雙酚A的吸附性能和特異性機(jī)理。制備后，測定活性炭的物理化學(xué)特征。然后探討了不同外源因素對吸附的影響，推導(dǎo)出相關(guān)的推動因素，包括初始pH，離子強(qiáng)度等。。此外，多種模型描述了吸附動力學(xué)和熱力學(xué)，分析了吸附性能和機(jī)理。最后，還研究了活性炭的再生和再循環(huán)?；谶@些結(jié)果，獲得并改進(jìn)了對吸附機(jī)理的深入理解以及活性炭的吸附。
易獲取廉價植物制成的活性炭的特征
經(jīng)過多次測量來表征制備的活性炭的物理化學(xué)性質(zhì)。首先，通過TEM和SEM圖像證明了活性炭的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)(圖1)?；钚蕴康腡EM觀察表明，碳具有顯著分層的多孔結(jié)構(gòu)，具有蜂窩狀形狀(圖1a)。并且SEM(圖1b)觀察呈現(xiàn)出在活性炭上具有孔的粗糙且不規(guī)則的表面。根據(jù)BET結(jié)果，它可能與吸附劑的孔隙率有關(guān)，因此導(dǎo)致高比表面積達(dá)到900左右。孔徑分布曲線在圖1c表示。此外，活性炭的等電點是根據(jù)pH值的函數(shù)從zeta電位的變化趨勢中確定的。如圖1d所示活性炭表面在非酸性條件下是電負(fù)性的。
圖1：活性炭的SEM(a)和TEM(b)孔徑分布(c)pH(d)活性炭的zeta電位。
吸附實驗方法
對于典型的批量實驗，將15mg活性炭加入100ml四溴雙酚A溶液中，在250ml燒瓶中在給定pH下選擇濃度。然后將燒瓶置于溫控培養(yǎng)搖床中，在給定溫度下以175rpm轉(zhuǎn)速。以指定的時間間隔對上清液取樣，并通過0.22μm過濾器過濾用于分析。所有實驗一式三份進(jìn)行，平行實驗之間的差異小于5%。使用的所有玻璃器皿通過超聲波在40kHz下清潔30分鐘，然后在使用前干燥。
環(huán)境因素對四溴雙酚A吸附的影響
pH是影響吸附性能的重要因素之一，它決定了活性炭表面的表面電荷以及溶液中吸附質(zhì)的現(xiàn)有形態(tài)?？紤]到四溴雙酚A在非堿性溶液中的不溶性，在初始pH值在9.0-12.0范圍內(nèi)變化的情況下進(jìn)行實驗。如圖2所示，吸附在活性炭上的四溴雙酚A減少了84%，溶液中初始pH值從9.0增加到12.0，表明堿性條件不利于吸附。根據(jù)pH的函數(shù)分子和陰離子形式的分布，在堿性條件下，四溴雙酚A主要被電離成單價或二價陰離子。隨著pH值超過9.0，則活性炭表面上的這些官能團(tuán)的脫質(zhì)子化了，例如-COO-，-O-，等。導(dǎo)致吸附能力的降低是由于活性炭表面之間的增強(qiáng)的靜電斥力和四溴雙酚A。此外，由于強(qiáng)堿性溶液中氫鍵的減少，這是由增強(qiáng)的電荷排斥阻止的，當(dāng)pH從10.0增加到12.0時，活性炭對四溴雙酚A吸附嚴(yán)重降低。
圖2：初始pH對用活性炭吸附四溴雙酚A的影響。
腐殖酸在通過死亡植物的微生物降解而衍生的天然水中普遍存在，其總是伴隨四溴雙酚A。因此，它的共存對四溴雙酚A的吸附效果是有影響的。根據(jù)四溴雙酚A在不同濃度腐殖酸下被活性炭吸附的結(jié)果(圖3)，當(dāng)腐殖酸濃度小于10mg L-1時，吸附容量顯著降低，而隨著腐殖酸濃度的持續(xù)增加，活性炭吸附四溴雙酚A增強(qiáng)。腐殖酸的基本結(jié)構(gòu)是芳香環(huán)和脂環(huán)環(huán)，與羧基，羰基，醌基，羥基和甲氧基連接。所有這些結(jié)構(gòu)都可以形成π-π相互作用，與活性炭形成氫鍵，這可能是由于腐殖酸和四溴雙酚A在活性炭上的競爭性吸附，從而降低了四溴雙酚A的去除效率。高濃度腐殖酸吸附的輕微增加可能是由于游離四溴雙酚A吸附到吸附到活性炭表面的腐殖酸。
圖3：腐殖酸對使用活性炭吸附四溴雙酚A的影響。
活性炭對四溴雙酚A的吸附機(jī)理
根據(jù)先前研究的多種吸附動力，包括靜電相互作用，氫鍵，π-π相互作用，疏水效應(yīng)等?；谶@些結(jié)果，進(jìn)一步提出了四溴雙酚A在活性炭表面上的可能吸附過程(圖4)。由此可以推斷，由于苯環(huán)和活性炭表面上的-OH基團(tuán)，π-π相互作用可能在吸附過程中起重要作用，因為給電子官能團(tuán)可能增強(qiáng)四溴雙酚A芳環(huán)的π-給體強(qiáng)度。氫鍵也對吸附產(chǎn)生顯著影響，活性炭可作為氫鍵供體，依賴于-OH基團(tuán)和表面上的芳環(huán)，產(chǎn)生更好的吸附能力。此外，根據(jù)動力學(xué)模型分析的結(jié)果，吸附劑和吸附物之間可能存在電子交換或共價鍵。
圖4：使用活性炭吸附四溴雙酚A的示意圖。
本研究采用廢棄易獲得的植物材料制備活性炭，其表面具有豐富的官能團(tuán)，可很好的去除四溴雙酚A，對有機(jī)污染物具有良好的吸附性能。在多重表征和實驗分析的基礎(chǔ)上，證實了π-π相互作用和氫鍵是吸附的主要推動力。對吸附性能和機(jī)理的深入了解將為活性炭在廢水處理中的應(yīng)用提供有價值的數(shù)據(jù)。
本文作者：董帝豪
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