净水技术|两种温度下制备的香蒲活性炭对布洛芬的吸附性能比较

2020-08-29 09:28:48 135

本研究以香蒲为原料在350 ℃和550 ℃下利用氯化锌活化法制备了两种活性炭,并利用红外光谱仪、比表面积及孔径分析仪对制成的样品进行了表征。同时,通过一系列的吸附试验考察了活性炭投加量、吸附时间、温度、pH、初始浓度对布洛芬去除效果的影响,并对两种活性炭的吸附效果进行了比较,得出了吸附效果较好的活性炭的制备温度,以期为活性炭的制备条件提供参考,为含布洛芬的污水处理提供一种经济且高效的方式。

Part 1 材料与方法

01 活性炭样品制备

本试验的原料香蒲来自南京玄武湖,将样品通过烘干、过筛、加溶液混匀并振荡、抽滤、干燥处理后,将干燥后的混合物以氮气作为保护气在马弗炉中炭化30 min,炭化温度分别为350 ℃和550 ℃,高温炭化结束后继续通入氮气,直至温度降至室温。将高温碳化后的产物用0.2 mol/L的盐酸溶液进行浸泡ph对活性炭吸附的影响,再用去离子水反复清洗至中性,然后烘干再粉碎制得活性炭成品。将不同温度下制备的两种活性炭分别记为AC-350和AC-550。

香蒲活性炭制备过程

对比两种不同温度下制得的活性炭可知,350 ℃活性炭颜色偏灰,550 ℃活性炭颜色更黑更深。在550 ℃下,原材料热解更加充分,碳化程度更高,制备的活性炭含碳量越高。因此,碳化温度会影响活性炭的碳化程度,从而影响对污染物的吸附性能。

02 试验方法

配制一定浓度的布洛芬溶液,取100 mL于250 mL锥形瓶中,加入一定量活性炭,调节溶液的pH,置于一定温度和转速的恒温振荡器中振荡一定时间,振荡结束后取上清液离心测得其中剩余布洛芬的浓度并计算吸附量和去除率。

Part 2 结果与讨论

01 比表面积和孔结构分析

在550 ℃下制得的活性炭比表面积明显较高,总孔体积也更大,这也决定了AC-550具有更好的吸附效果。AC-350的微孔表面积和体积均为0,AC-550的微孔也仅提供了14.85%的总比表面积和2.8%的总孔体积,因此,两种活性炭的孔结构都是以介孔和大孔为主。AC-550的比表面积和孔体积较大,可能是因为活性炭制备时是以ZnCl2为活化剂进行浸渍,ZnCl2分子浸渍到炭的内部起骨架作用,炭的高聚物碳化后沉积到骨架上,洗去ZnCl2,即具有了巨大表面的多孔结构活性炭。

活性炭比表面积及孔结构参数

02 红外光谱分析

香蒲活性炭的红外光谱图

两种活性炭中含有丰富的表面官能团,因此能提供大量的吸附位点。但对比两种活性炭,AC-550的特征峰强度均高于AC-350,这表明550 ℃条件下制备的活性炭表面官能团进一步增加,芳香化程度增加,有利于吸附效果的提升。

03 活性炭投加量对吸附的影响

两种活性炭对布洛芬的去除率都随着投加量的增加而呈现先增加后趋于稳定的趋势。从经济角度考虑,AC-350吸附布洛芬的最佳投加量为2 g/L,AC-550最佳投加量为0.4 g/L。对比两种活性炭,AC-550对布洛芬的吸附效果明显优于AC-350。

投加量对吸附效果的影响

04 时间对吸附的影响

振荡时间对吸附效果的影响

随着振荡时间的增加,两种活性炭对布洛芬去除率的变化趋势是一致的,都是先迅速增加然后缓慢增加,最后直至逐渐稳定。因为在反应初期,吸附剂表面和溶液之间存在着吸附质浓度差,这会增加传质推动力,从而促进吸附的进行;而随着时间的增加,溶液中布洛芬的浓度不断下降,吸附速率也会因此降低。

利用准一级动力学模型、准二级动力学模型和颗粒内扩散模型对试验数据进行拟合。

吸附动力学拟合参数

两种材料对布洛芬的吸附过程更符合准二级动力学模型。此外,颗粒内扩散模型拟合的曲线未经过原点,说明颗粒内的扩散不是吸附过程中唯一的控制因素,可能还存在其他的吸附过程。

05 温度对吸附的影响

温度对吸附效果的影响

随着温度的升高,两种活性炭对布洛芬的去除率都呈先升高后下降的趋势。因为在一定范围内提高温度,可以加快布洛芬分子的扩散速度,从而有利于布洛芬吸附到活性炭表面及孔道内。热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系,包括状态发生变化时系统与外界的相互作用以及能量传递和转换等。

不同温度下的热力学参数

对于AC-350和AC-550,吉布斯自由能ΔG均为负数,说明这两种活性炭对布洛芬的吸附过程是自发进行的;焓变ΔH均为正数,说明吸附过程是吸热反应;熵变ΔS均为正数,说明吸附过程较为复杂,系统混乱程度较高。

06 pH对吸附的影响

pH值对吸附效果的影响

溶液的pH是影响吸附效果的重要因素之一。当pH值>3时,去除率呈不断下降的趋势,可能是因为活性炭的表面电位降低,与布洛芬之间的静电作用力减弱,所以吸附效果变差。但当pH值从1变化到9时,AC-550的吸附效果始终优于AC-350。

07 浓度对吸附的影响

初始浓度对吸附效果的影响

利用Langmuir、Freundlich和Temkin这3种吸附等温模型对试验数据进行拟合,拟合结果如下表所示。

等温吸附模型相关参数

对于AC-350和AC-550,用Langmuir模型线性拟合的相关系数R2最高,分别为0.989 5和0.998 9。因此,两种活性炭对布洛芬的吸附行为都更适合用Langmuir吸附等温模型来反映,这说明两种活性炭对布洛芬的吸附主要为单分子层吸附。Langmuir模型拟合得到的RL为0~1,说明吸附过程是有利的。

08 竞争吸附的影响

利用活性炭对水中的布洛芬进行吸附时,废水中的其他有机物会与布洛芬在活性炭表面产生竞争现象,故研究配制了含不同浓度葡萄糖的布洛芬废水,研究葡萄糖对布洛芬的竞争吸附。

葡萄糖的竞争吸附影响

溶液中葡萄糖分子与布洛芬分子直接竞争吸附位点,且葡萄糖浓度越高,竞争吸附越明显。

09 香蒲活性炭处置与回用

活性炭在吸附饱和后即成为饱和活性炭ph对活性炭吸附的影响,处理处置不当势必造成二次污染及资源浪费。活性炭再生不但可以有效去除其吸附的污染物,还能够有效恢复活性炭的大部分吸附性能,提高香蒲制作活性炭的经济性。因此,需要对香蒲活性炭开展再生方面的研究。基于活性炭的高强度性能指标,研究决定以加热再生的方法恢复其吸附性能,实现二次利用。研究发现,再生3次后,活性炭的再生效率仍然在80%以上,可以达到废弃活性炭的再生效率指标,具有较好的应用前景。

Part 3 结论

(1)AC-350和AC-550均具有发达的孔结构且表面都含有丰富的官能团,但AC-550的比表面积明显大于AC-350。

(2)活性炭投加量、吸附时间、温度、pH、布洛芬初始浓度都对吸附效果产生了影响。

(3)两种活性炭对布洛芬的吸附过程都更符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,且吸附反应过程都是吸热、熵增且自发进行的。

(4)本试验证明,制备温度会对活性炭的吸附效果产生影响,在550 ℃下制备的活性炭对布洛芬的吸附效果更好,且从经济角度考虑,550 ℃下制备的活性炭在较小的投加量下就能达到更高的去除效率,这为活性炭的制备条件提供了参考。

(5)利用香蒲废弃物制备活性炭不仅方法简单,还降低了活性炭的制备成本。因此,将其应用到含布洛芬的水处理中是非常高效且具有较好的前景。

更多信息

何秋玫,林子增,黄 新,徐 爽,杨 海

(南京林业大学土木工程学院,江苏南京 210037)

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