活性炭對廢水中的磺胺嘧啶去除

　　活性炭是一種新型環(huán)保吸附劑，具有資源豐富、孔隙發(fā)達(dá)、比表面積增大、吸附高效等優(yōu)點(diǎn)。它是處理含有重金屬離子、氨和有機(jī)污染物的廢水的一種非常可行的吸附劑。在這里，我們制備了一種具有高吸附性能的磺胺嘧啶吸附劑，以解決日益嚴(yán)重的水體污染問題。采用共沉淀法磁化、氯化鋅浸漬法活化、高溫煅燒制備磁性活性炭。以磺胺嘧啶為目標(biāo)化合物，研究了活性炭的吸附能力，并通過FTIR、SEM、TEM、BET、VSM、XRD和XPS分析表征，同時(shí)重要的吸附因素如pH、溫度、初始磺胺嘧啶濃度和接觸時(shí)間進(jìn)行了評估。研究了活性炭在水溶液中對磺胺嘧啶的吸附性能及其重復(fù)使用性、穩(wěn)定性和適用性。

　　新型磁性活性炭的制造

　　第一步將原材料脫木素，通過將12.0g/NaClO2粉末溶解在388mL去離子水中制備3%NaClO2溶液。向NaClO2溶液中加入乙酸以調(diào)節(jié)pH至4.6。將原材料在85℃的NaClO2溶液中浸泡約2小時(shí)以部分去除木質(zhì)素，然后通過在去離子水中洗滌竹片3次去除多余的化學(xué)物質(zhì)。然后使用在80℃下運(yùn)行的烘箱將尊貴的竹片干燥12小時(shí)。

　　第二步將脫木素的原材料磁化，脫木素竹片的磁化是通過共沉淀法完成的。在該方法中，F(xiàn)eCl3-6H2O、FeCl2-4H2O、NaOH[Fe3+/Fe2+/OH−=2:1:8]溶解在去離子水(80mL)中，進(jìn)一步與3.2g原材料混合，原材料與Fe3O4的比例為2:1。具體操作如下：首先，配制一定比例的FeCl3-6H2O和FeCl2-4H2O溶液，并在80℃下將16g脫木素竹片浸泡在其中1小時(shí)。接下來，將混合物用11.14gNaOH處理并在80℃下攪拌3小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后，將竹片用去離子水沖洗3次以洗掉其表面形成的Fe3O4，然后在80℃下干燥8小時(shí)。

　　第二步炭化活化，對磁性脫木素原料進(jìn)行碳化。簡而言之，將磁性脫木素原料和作為活化劑的50%活化劑溶液以1:4的比例放置在瓷坩堝中。添加的溶液量應(yīng)足以完全滲透原材料，必須在室溫下充分混合12小時(shí)。然后應(yīng)使用烘箱在90℃下將浸漬材料干燥12小時(shí)。將干燥的樣品放入爐內(nèi)，在800℃下進(jìn)行熱解，同時(shí)選擇10℃/min的加熱速率運(yùn)行2小時(shí)。生成的生物炭冷卻后，用0.1mol/L-1鹽酸溶液，再加入去離子水直至上清液呈中性。最后，將洗滌后的生物炭干燥并儲(chǔ)存在干燥器中以獲得ZnCl2磁性活性炭。用上述活化和熱解程序和條件用于獲得去木質(zhì)炭和去木質(zhì)活性炭。

　　磁性活性炭、去木質(zhì)炭、去木質(zhì)活性炭的表征

　　在SEM和TEM的幫助下估計(jì)了三個(gè)樣品的微觀形態(tài)(圖1a-c)。對于所有三個(gè)樣品，SEM分析的放大倍數(shù)均為10.0μm，TEM分析的放大倍數(shù)為50.0nm。由于活化和磁化的應(yīng)用，活性炭表面的空隙合理增加。圖1c顯示Fe3O4納米顆粒附著在孔隙上。Fe3O4納米粒子和磺胺嘧啶在磁性活性炭上的分布使用EDS分析的映射掃描確定(圖1g-h)。EDS分析表明，磁性活性炭主要由碳和微量的氧、氮和鐵組成，鐵均勻分布在表面。然而，在吸附磺胺嘧啶的磁性活性炭中也發(fā)現(xiàn)了痕量的硫，表明磺胺嘧啶已成功吸附。

　　圖1：使用SEM和TEM(a,d)去木質(zhì)活性炭(b,e)磁性活性炭(c,f)去木質(zhì)炭圖像;元素(C、O、N、Fe、S)的映射分析：磁性活性炭(g)和磺胺嘧啶吸附的磁性活性炭(h)。

　　吸附熱力學(xué)

　　吸附熱力學(xué)用于闡明吸附機(jī)制和過程的性質(zhì)。吉布斯自由能變化(ΔG◦)表明化學(xué)反應(yīng)的可行性和自發(fā)性，因此是一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)，最高的負(fù)值表明吸附過程最有利的能量。為了確定不同溫度對吸附劑的影響，在15、25、35和45℃下使用三種活性炭吸附磺胺嘧啶。吉布斯自由能均為負(fù)值，范圍為-609.72至-805.66kJ/mol-1，表明不同溫度下磁性活性炭在磺胺嘧啶中的吸附是自發(fā)且可行的。

　　共存離子的影響

　　圖2a顯示CO32−和PO43−吸附顯著降低了近50%磺胺嘧啶。這種吸附抑制的發(fā)生可能是因?yàn)镃O32−和PO43−在水中主要以HPO42−、H2PO4−和HCO3−的形式存在，其中含有大量可以與氧相互作用的羥基。通過氫鍵在磁性活性炭中包含基團(tuán)，阻礙活性炭對磺胺嘧啶的吸附。另一方面，CO32−和PO43−的溶解在水中使溶液呈堿性，pH值增加，導(dǎo)致強(qiáng)烈的靜電排斥，從而減少磁性活性炭對磺胺嘧啶的吸附。

　　圖2：(a)腐殖酸和(b)共存離子對磁性活性炭吸收磺胺嘧啶的影響，(c)活性炭的吸附選擇性，(d)活性炭吸附磺胺嘧啶的再生性能。

　　活性炭對磺胺嘧啶的吸附機(jī)理

　　π-π電子供體-受體(EDA)是導(dǎo)致活性炭吸附磺胺嘧啶的主要驅(qū)動(dòng)力之一。由于芳環(huán)的存在，磺胺嘧啶被認(rèn)為是一種強(qiáng)π受體和以氨基和磺酰胺基團(tuán)形式存在的不飽和單元。磺胺基團(tuán)具有高效的吸電子能力，可以使磺胺嘧啶中的兩個(gè)芳環(huán)缺電子，而氨基可以給芳環(huán)n個(gè)孤電子對，使其成為更強(qiáng)的電子受體。氫鍵也是影響磺胺嘧啶在水溶液中吸附的可能機(jī)制。當(dāng)含碳材料和有機(jī)底物具有表面富氧官能團(tuán)(例如，羧基、內(nèi)酯和醇羥基)時(shí)，它們可以通過氫鍵相互作用。這種相互作用是由于來自磁性活性炭的OH基團(tuán)的氮而實(shí)現(xiàn)的。在pH大于等于11時(shí)，溶液中存在大量陰離子，磁性活性炭表面帶負(fù)電，產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電排斥力，顯著降低活性炭與磺胺嘧啶的吸附親和力，導(dǎo)致吸附。靜電相互作用可能是這一階段的主要吸附機(jī)制。這意味著活性炭中的磺胺嘧啶吸附過程是由π-π相互作用、氫鍵、靜電相互作用或螯合促進(jìn)的(圖3)。

　　圖3：活性炭和磺胺嘧啶之間的吸附結(jié)合機(jī)制。

　　活性炭對廢水中的磺胺嘧啶去除，新材料表現(xiàn)出高比表面積和超順磁性，在pH7時(shí)其對磺胺嘧啶的最大吸附容量達(dá)到645mg。整個(gè)吸附機(jī)理與準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型非常吻合，表明使用活性炭吸附磺胺嘧啶取決于化學(xué)過程。吸附機(jī)理與Langmuir模型的一致性證實(shí)了這一點(diǎn)，這表明三種吸附劑對磺胺嘧啶的吸附是單層表面化學(xué)吸附，在吸附劑上具有均勻的吸附位點(diǎn)，以及靜電相互作用的潛在影響。此外，顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型表明磺胺嘧啶吸附可以通過多個(gè)擴(kuò)散步驟實(shí)現(xiàn)。正如熱力學(xué)分析所確定的那樣，吸附是放熱的、自發(fā)的和可行的。

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