活性炭酸處理對(duì)金屬離子的競爭吸附

　　來自采礦活動(dòng)、工業(yè)和城市廢物以及垃圾填埋場滲濾液的重金屬對(duì)地下水和地表資源造成嚴(yán)重污染。重金屬對(duì)水的污染可能來自不同的來源。Cd2+,Cr6+,Mn2+,Ni2+被引入到水資源和環(huán)境中的主要來源是廢家用電池和充電電池、電鍍、制革工業(yè)、化肥、石化產(chǎn)品和煉油廠廢水。本文研究了使用酸改性和未改性活性炭吸附從含有Ni2+、Mn2+、Cr6+和Cd2+的季銨鹽水溶液中競爭去除金屬離子的方法。活性炭用硝酸氧化，呈顆粒狀和粉末狀，并測試其對(duì)金屬離子從水溶液中的競爭吸附。

　　吸附劑的性質(zhì)

　　活性炭去除水中重金屬的性能在很大程度上取決于三個(gè)因素：(1)表面性質(zhì)，包括孔徑分布、表面積和可用的表面官能團(tuán)(氧絡(luò)合基團(tuán))。(2)水溶液的pH值、有無競爭離子等條件。(3)重金屬離子的性質(zhì)，包括電荷密度(電荷半徑比)、電負(fù)性和離子半徑。對(duì)于用酸處理的粉末狀活性炭觀察到測試吸附劑的最高表面積。與未處理的活性炭相比，用硝酸進(jìn)行表面氧化導(dǎo)致活性炭的表面積減少7%。粉末樣品具有較高的表面積由于粒徑較小。基于Horvath–Kawazoe模型，所有測量樣品均具有孔徑小于2nm的微孔結(jié)構(gòu)，該模型用于確定微孔吸附劑(如活性炭和沸石)中的孔徑分布。與活性炭(1.398nm)相比，酸處理還導(dǎo)致粉末活性炭(1.388nm)的孔寬略有減小，這歸因于酸性位點(diǎn)與石墨基面的邊緣結(jié)合。其他研究人員也報(bào)道了酸處理后表面積和孔寬減少的類似行為。

　　圖1：三種活性炭的FTIR光譜。

　　重金屬的競爭吸附

　　吸附仍然是研究最多和應(yīng)用最多的方法，已證明可提供高去除效率且具有成本效益。吸附分離有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如對(duì)痕量金屬離子的高選擇性、成本效益，因?yàn)樗�可以使用豐富的吸附劑，以及環(huán)境友好的質(zhì)量。一般來說，活性炭表面吸附重金屬離子的機(jī)理是通過表面靜電吸引、表面絡(luò)合和離子交換。對(duì)于未改性的碳表面，表明重金屬離子通過與反應(yīng)后碳基面的π電子相互作用而吸附。在較高的pH值下，酸性基團(tuán)將被非質(zhì)子化，金屬離子將通過表面絡(luò)合與其結(jié)合，這將導(dǎo)致每個(gè)吸附的金屬離子釋放少于一個(gè)質(zhì)子。所有四種金屬離子Ni2+、Cr6+、Mn2+和Cd2+的吸附等溫線如圖2所示。等溫線不是均勻的曲線，很可能是因?yàn)槌�了現(xiàn)有離子之間的排斥和相互作用之外，可用吸附位點(diǎn)上離子之間的競爭。

　　圖2：金屬離子在不同吸附劑上的吸附等溫線(a)活性炭，(b)酸處理顆粒活性炭，和(c)酸處理粉末活性炭。

　　在模擬條件下，每種吸附劑對(duì)重金屬的選擇性如圖3中500mg吸附劑等溫線所示。結(jié)果表明，與堿性顆粒活性炭相比，顆粒活性炭和粉末活性炭的酸處理改變了金屬選擇性的順序。對(duì)于基本未處理的活性炭，離子選擇性的順序是Ni2+>Cd2+>Cr6+>Mn2+對(duì)于大量吸附劑(1000和500mg活性炭)，而對(duì)于少量吸附劑(100，50和25mg)，活性炭具有與酸處理顆粒活性炭和酸處理粉末活性炭相似的順序，即Cr6+>Ni2+>Cd2+>Mn2+，如圖2所示。

　　圖3：金屬離子在不同活性炭吸附劑(500mg)上的去除百分比。

　　顆粒活性炭的酸處理與未處理的活性炭相比，Cr6+去除效率提高了30%，而Ni2+、Mn2+和Cd2+分別降低了23%、36%和37%。這可以通過與其他離子相比更高的離子勢(shì)和Cr6+的小尺寸來解釋。這將導(dǎo)致Cr6+對(duì)酸性表面基團(tuán)的吸引力更強(qiáng)，并更快地?cái)U(kuò)散到活性炭的孔隙中。高正電的Cr6+離子會(huì)吸附在孔隙邊緣的酸性功能位點(diǎn)上，排斥其他較弱的重金屬離子，降低它們對(duì)活性炭孔隙的可及性。

　　活性炭酸處理對(duì)金屬離子的競爭吸附，發(fā)現(xiàn)活性炭可有效去除水溶液中的重金屬離子。通過表面改性和氧化提高吸附能力。然而，大多數(shù)報(bào)道的研究都集中在從溶液中吸附單一或二元金屬離子。因此，在理解氧化表面官能團(tuán)對(duì)多離子溶液中重金屬的相互作用和吸附機(jī)制的影響方面仍然存在差距。這項(xiàng)工作的目的是通過評(píng)估和模擬Ni2+、Cr6+、Mn2+和Cd2+在顆粒狀活性炭、活性炭和酸處理活性炭上的競爭吸附來彌補(bǔ)這一差距。活性炭的氧化影響重金屬離子Ni2+、Cr6+、Mn2+和Cd2+從水溶液中的競爭吸附。氧化活性炭對(duì)Cr6+的吸附能力增加，但對(duì)Ni2+、Mn2+和Cd2+離子的吸附能力降低。Cr6+相對(duì)于其他存在離子的高選擇性是由于其較小的尺寸和較高的離子勢(shì)，導(dǎo)致更快地?cái)U(kuò)散到孔隙和對(duì)表面酸性基團(tuán)的更強(qiáng)吸引。Cr6+的吸附速度更快由于這些酸性基團(tuán)分布在孔隙的邊緣，因此酸性基團(tuán)將阻礙其他離子向孔隙的擴(kuò)散。Langmuir模型不適合重金屬離子在氧化活性炭上的競爭吸附，因?yàn)樗�的兩個(gè)假設(shè)：具有等效能量的均勻表面和吸附離子之間沒有相互作用，對(duì)酸處理顆粒活性炭和酸處理粉末活性炭的異質(zhì)表面無效。Freundlich等溫線適合 Cr6+并且在較小程度上適合Ni2+，但不適合Mn2+或Cd2+。DKR模型表明Cr6+的物理吸附和Ni2+和Cd2+的離子交換吸附在空調(diào)上。在酸處理顆粒活性炭和酸處理粉末活性炭上改為離子交換Cr6+和Ni2+物理吸附。Mn2+對(duì)氧化活性炭的吸引力最小。這項(xiàng)工作的結(jié)果可用于根據(jù)離子與表面官能團(tuán)的相互作用以及它們的大小和離子勢(shì)的差異來定制和修改吸附過程，以從水溶液中選擇性去除和分離重金屬離子。

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