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活性炭國(guó)家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

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活性炭中親水性微污染物的擴(kuò)散
文章作者:韓研網(wǎng)絡(luò)部 更新時(shí)間:2019-6-14 16:15:59

  如果在用于飲用水生產(chǎn)的源水中檢測(cè)到親水性有機(jī)微污染物,那么一般從水中除去這些微污染物的技術(shù)是使用固定床過(guò)濾器中的活性炭進(jìn)行吸附。使用活性炭吸附的速率一般是通過(guò)活性炭?jī)?nèi)的吸附物擴(kuò)散來(lái)確定的。中孔活性炭可促進(jìn)擴(kuò)散,獲得更高的吸附速率。本次我們使用兩種不同類型的活性炭對(duì)親水微污染物的吸附速率。此外,進(jìn)行平衡研究以確定所選微污染物對(duì)活性炭的親和力。將孔擴(kuò)散模型應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)以獲得孔擴(kuò)散系數(shù)。

  人造有機(jī)微污染物,如工業(yè)化學(xué)品及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物,常見(jiàn)于地表水和地下水。微污染物可能通過(guò)污水處理廠的廢水和農(nóng)田的徑流進(jìn)入環(huán)境。在過(guò)去的幾十年中,在用于飲用水生產(chǎn)的水體中檢測(cè)到了數(shù)十種微污染物。由于人為有機(jī)化學(xué)品的使用增加,未來(lái)可能會(huì)增加微污染物對(duì)地表水和飲用水的污染。在固定床過(guò)濾器中吸附到活性炭上是在從地表水源生產(chǎn)飲用水中去除微污染物的主要步驟之一。雖然活性炭對(duì)疏水性化合物的吸附性能好,但是對(duì)親水性化合物的去除與高級(jí)氧化工藝相比,涉及吸附到活性炭上的技術(shù)具有成本效益,通常不會(huì)形成轉(zhuǎn)化產(chǎn)物;钚蕴课郊夹g(shù)的缺點(diǎn)包括活性炭再生的高能耗和緩慢的吸附動(dòng)力學(xué)。然而,使用活性炭吸附仍被認(rèn)為是從廢水和飲用水中去除微污染物的必要步驟。

  在本研究中,我們?cè)u(píng)估了親水微污染物對(duì)兩種不同孔隙結(jié)構(gòu)的活性炭的親和力,并建立了基于孔擴(kuò)散的理論模型來(lái)描述吸附動(dòng)力學(xué)。吸附等溫線和動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)用作模型的輸入,以使用具有不同孔徑的兩個(gè)活性炭獲得不同尺寸的多個(gè)為污染物的表觀孔擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果提供了微污染物和活性炭的哪些特征影響吸附速率的見(jiàn)解。

  擴(kuò)散模型

  我們使用孔擴(kuò)散模型來(lái)描述微污染物向活性炭?jī)?nèi)表面的質(zhì)量傳遞。在我們的實(shí)驗(yàn)中研究的所有微污染物都是親水的,其對(duì)活性炭的親和力通常低于疏水性微污染物。因此,預(yù)期孔擴(kuò)散是主要的質(zhì)量傳遞機(jī)制。在該模型中,我們僅考慮孔隙擴(kuò)散用于孔隙內(nèi)的質(zhì)量傳遞。在孔擴(kuò)散模型中,假設(shè)活性炭顆粒是球形的,具有恒定直徑和均勻分布的吸附位點(diǎn)。

  活性炭材料準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)方法

  使用兩種不同孔隙的活性炭,使用椰殼和木質(zhì)材料制成的活性炭經(jīng)過(guò)氮吸附解吸等溫線測(cè)量結(jié)構(gòu)性質(zhì)。再將活性炭過(guò)篩以獲得直徑在0.5mm和1mm之間的顆粒。篩分后,用軟化水洗滌1小時(shí),干燥并儲(chǔ)存干燥。在實(shí)驗(yàn)之前,將活性炭在105℃下干燥備用,稱重并在軟化水中煮沸以除去夾帶的空氣。使用的多種微污染的混合物分別為脒基脲,六亞甲基四胺,碘帕醇,碘普羅胺,二甲雙胍和吡唑等。

  吸附等溫線:進(jìn)行吸附等溫線以研究所選微污染物對(duì)兩種類型活性炭的親和力。所有微污染物對(duì)椰殼活性炭表現(xiàn)出更高的親和力(圖1),對(duì)木質(zhì)活性炭的親和力一般。椰殼活性炭對(duì)某些微污染物的吸附容量可能高在我們的實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù),因?yàn)槭┘拥奈⑽廴疚餄舛忍投荒苓_(dá)到活性炭飽和。

  圖1:活性炭對(duì)幾種親水微污染物的吸附等溫線。

  微污染物在活性炭上的吸附動(dòng)力學(xué)

  在動(dòng)力學(xué)吸附研究中,吸附速率與微污染物分子大小和活性炭孔徑有關(guān)。我們觀察到椰殼活性炭對(duì)小分子污染物在24小時(shí)內(nèi)達(dá)到平衡,而對(duì)于大分子也能在24小時(shí)內(nèi)達(dá)到平衡,然而木質(zhì)活性炭則要120小時(shí)才能達(dá)到平衡。微污染物的分子越大活性炭的吸附速度越慢;钚蕴康目讛U(kuò)散系數(shù)通過(guò)將孔擴(kuò)散模型擬合到的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)獲得,對(duì)于這些親水微污染物,椰殼活性炭的吸附速率高于木質(zhì)活性炭(圖2),這是由于椰殼活性炭中存在中孔,對(duì)于除大分子之外的所有微污染物的效果都比較優(yōu)秀。

  圖2:活性炭在動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中負(fù)荷微污染物。

  活性炭的孔擴(kuò)散系數(shù)

  活性炭中吸附質(zhì)的孔擴(kuò)散系數(shù)與吸附質(zhì)水分?jǐn)U散系數(shù)有關(guān),其中活性炭的曲折因子是描述活性炭結(jié)構(gòu)的參數(shù),用于將孔中的吸附物擴(kuò)散率與游離溶液中的擴(kuò)散率聯(lián)系起來(lái)。椰殼活性炭和木質(zhì)活性炭曲折度是根據(jù)報(bào)道計(jì)算的d值和等式獲得的。計(jì)算椰殼活性炭的曲折度值在3到5之間,木質(zhì)活性炭的曲折度值約為8。由于曲折是活性炭的一個(gè)屬性,它的值應(yīng)該是不變的。然而,該參數(shù)是基于吸附物在活性炭表面上的吸附來(lái)確定的,因此吸附物和活性炭表面之間的相互作用可能會(huì)影響使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的值。曲折度值的變化也可以表明粒子內(nèi)擴(kuò)散不僅受孔擴(kuò)散控制,而且表面擴(kuò)散也可能在確定吸附速率中起作用。

  研究了親水微污染物與兩種不同孔徑活性炭的吸附速率和親和力,確定了吸附速率限制步驟。結(jié)果如下:從飲用水中去除微污染物合適的活性炭的選擇不僅應(yīng)考慮對(duì)目標(biāo)化合物的親和力,還應(yīng)考慮活性炭孔徑。需要具有中孔的活性炭以防止緩慢的動(dòng)力學(xué)降低固定床中活性炭過(guò)濾器的效率。對(duì)于大多數(shù)親水微污染物,孔擴(kuò)散系數(shù)與吸附質(zhì)大小負(fù)相關(guān),并且對(duì)于大分子的吸附物,這種相關(guān)性更強(qiáng)。活性炭的微孔阻礙了大分子的擴(kuò)散,導(dǎo)致曲折度值高于普遍活性炭的曲率。吸附親和力涉及微污染物的分子結(jié)構(gòu),具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的微污染物比具有線性或球狀結(jié)構(gòu)的污染物更大程度地吸附到活性炭上。

文章標(biāo)簽:椰殼活性炭,果殼活性炭,煤質(zhì)活性炭,木質(zhì)活性炭,蜂窩活性炭,凈水活性炭.

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