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

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活性炭吸附硝酸根離子
文章作者:韓研網(wǎng)絡(luò)部 更新時(shí)間:2019-1-7 15:18:40

  在近期,地下水受到各種有機(jī)和無機(jī)化學(xué)物質(zhì)的污染。特別是硝酸根離子污染地下水已成為飲用水的新問題。這個(gè)問題歸因于用于施肥和處理牲畜排泄物的大量氮化合物。如果飲用含有過量硝酸根離子的飲用水會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)高鐵血紅蛋白血癥并產(chǎn)生亞硝胺,這會(huì)起到致癌作用。因此,硝酸根離子的去除方法將成為保護(hù)地下水水質(zhì)的方法之一。

  到目前為止,已有傳統(tǒng)的去除硝酸根離子的方法,如反滲透和離子交換。然而,從高運(yùn)行成本的觀點(diǎn)來看,這些方法包括缺點(diǎn)。另一方面,實(shí)現(xiàn)吸附成本低,操作簡單并廣泛用于水凈化。雖然有幾種吸附劑如沸石和硅膠,但由于多孔結(jié)構(gòu),大的表面積和孔體積都不如活性炭。并且活性炭還可以從各種材料和前體如生物質(zhì)制備而無需任何特殊設(shè)施,因此活性炭可以在許多地區(qū)使用。近年來,活性炭已被開發(fā)作為污染物的凈化材料,具有多種優(yōu)點(diǎn),例如易于操作和加工各種形狀和尺寸。此外,活性炭具有疏水表面特性。

  最近的研究表明,通過在活性炭表面引入官能團(tuán)的化學(xué)和熱處理,可以加強(qiáng)活性炭對離子污染物的吸附能力。通過氧化處理引入大量酸性官能團(tuán)的活性炭對重金屬吸附有效。還試驗(yàn)通過氨氣處理引入活性炭的表面上的含堿性氮的官能團(tuán)可以實(shí)現(xiàn)比未經(jīng)處理的活性炭更好的吸附除去硝酸根離子。因此,預(yù)期碳表面上的諸如含氮官能團(tuán)的堿性基團(tuán)/位點(diǎn)對于離子物質(zhì)的吸附是有效的,并且大量的堿性基團(tuán)/位點(diǎn)可以增強(qiáng)離子物質(zhì)的吸附。然而,硝酸鹽吸附到活性炭上的機(jī)制,特別是平衡溶液pH(pH e)和同一溶液中存在的共存離子的影響尚未詳細(xì)揭示。該信息對于制定活性炭以除去硝酸根離子和在凈水廠的實(shí)際使用中選擇活性炭是有必要的。

  我們將活性炭在鹽酸和氫氟酸中浸泡過夜而不搖動(dòng),并用熱蒸餾水洗滌數(shù)次,直至洗滌溶液中的pH值不再變化。接著活性炭在110℃下干燥過夜,獲得的樣品儲(chǔ)存在干燥器中。為了除去活性炭表面酸性官能團(tuán),將活性炭在氦氣流下在管式爐中在800℃下加熱至所需溫度并保持1小時(shí)。為了將堿性基團(tuán)/位點(diǎn)引入碳表面,進(jìn)行氨氣處理。在氦氣流下,在管式爐中加熱活性炭。爐中的氣氛在200℃時(shí)從氦氣變?yōu)榘睔。將溫度升?00℃的設(shè)定值,并保持1小時(shí)。在氦氣流下將樣品冷卻至室溫。

  在批量實(shí)驗(yàn)中研究了硝酸根離子在活性炭上的吸附。將約50mg或100mg制備的活性炭分別加入到錐形燒瓶中的25mL或50mL NaNO 3溶液中,并將混合物在100rpm,25℃下振蕩過夜。初始硝酸根離子濃度范圍為100至800mg/L。

  pH對活性炭吸附硝酸根的影響

  活性炭上的硝酸根離子吸附量與溶液的pH e之間的關(guān)系如圖1所示。硝酸根離子在堿性條件下幾乎不被吸附,這意味著氫氧根離子會(huì)抑制硝酸根離子的吸附。另一方面,隨著平衡pH的降低,硝酸根離子的吸附量增加。在堿性條件下,由于硝酸根離子與活性炭表面之間的靜電排斥,硝酸根離子很難被吸附在活性炭上。另一方面,硝酸根離子的吸附量在酸性條件下增加,這歸因于硝酸根離子與碳表面之間的靜電吸引力。然而,隨著平衡pH從3.0降低到2.0,觀察到硝酸根離子吸附的顯著降低。在此pH范圍內(nèi),氯離子的初始濃度從2 m增加到20 m M,這意味著共存的氯離子會(huì)抑制硝酸根離子的吸附。通過NaCl溶液將氯離子的初始濃度固定在20 m M時(shí),可以清楚地發(fā)現(xiàn)氯離子對硝酸根離子的吸附抑制作用,表明硝酸根離子在所有pH區(qū)域的吸附量均低于沒有任何pH調(diào)節(jié)的溶液。因此共存陰離子會(huì)導(dǎo)致競爭吸附影響硝酸根離子吸附的效果,并且這種作用可能是較強(qiáng)的在共存陰離子的濃度較高。

  圖1.平衡pH下活性炭在25°C下吸附硝酸根的影響。

  在這項(xiàng)研究中,通過氨氣處理和除氣來引入活性炭上的堿性基團(tuán)/位點(diǎn)并從活性炭表面除去酸性基團(tuán)以增強(qiáng)水溶液中硝酸根離子的吸附,以及硝酸根離子吸附與之間的關(guān)系。研究了溶液的pH值以及活性炭的表面電荷,以了解活性炭吸附硝酸根離子的基本機(jī)理。結(jié)論可歸納如下。

  1、硝酸根離子的吸附取決于溶液的pH值,隨著pH的降低,吸附量增加。

  2、硝酸根離子的吸附在pH2時(shí)受到抑制,這意味著氯離子對硝酸根離子的吸附有抑制作用。

  3、在通過除氣和氨氣處理處理的碳表面上引入堿性基團(tuán)/位點(diǎn)將使活性炭表面帶正電荷,增強(qiáng)硝酸根離子在水溶液中的吸附。

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