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

　　活性炭吸附砷的能力怎么提高

　　砷是一種有毒的準金屬，可以在天然硫化礦物或沉積物中找到。這些天然砷化合物通常通過火山活動和風(fēng)化反應(yīng)等全球地球化學(xué)活動釋放到水中。此外，也有人為的砷化合物釋放到自然界中。自然界中釋放的砷的主要無機種類是無機形式。三價砷是厭氧條件下的主要污染物，其毒性大于五價砷。從水中除去超標的砷，吸附法是比較好用的，活性炭是常用材料。為了提高活性炭對砷的吸附能力，使用苯胺對各種原材料進行熱化學(xué)氣相沉積以制備摻氮活性炭樣品，再來測試對砷的吸附能力。

　　怎么提高活性炭的吸附能力

　　加熱和氮摻雜處理可以增加活性炭的陰離子吸附能力。在950℃下加熱活性炭以通過含氧酸性官能團的分解來增強石墨烯層上的π電子。石墨烯層上的π電子可以吸引一些質(zhì)子，導(dǎo)致吸附位點略有增加，并且通過退火過程分解含氧酸性官能團會增強π電子，因為這些官能團被稱為電子-撤回團體。經(jīng)過熱處理使活性炭樣品具有抵抗蒸汽活化的硬度，因此，我們必須在最后一步進行退火過程，因為在退火后無法正確進行蒸汽活化。并且通過熱處理從其他表面氮物種形成季氮，進行實際檢測來證明活性炭的原始表面性質(zhì)對砷吸附能力的影響。

　　根據(jù)溶液pH值對砷的潛在吸附位點

　　活性炭的陰離子吸附能力通常受溶液pH值的影響。因此，我們使用吸附實驗數(shù)據(jù)評估了所有pH范圍內(nèi)砷的潛在吸附位點。pH2-12吸附容量的結(jié)果如圖1所示。所有樣品在pH7附近表現(xiàn)出高吸附能力。通常，酸性pH條件下的陰離子吸附能力取決于堿性官能團的數(shù)量。作為基本官能團的例子，石墨烯層上的π電子可以吸引一些質(zhì)子，導(dǎo)致吸附位點略有增加。此外，吡啶氮(N-6)、吡咯氮(N-5)和胺基團在低于特定pH值時會變成帶正電荷的吸附位點，這取決于它們的酸度系數(shù)，而季氮始終以帶正電的形式存在。因此，當這些位點根據(jù)它們的酸度系數(shù)在某些酸性pH范圍內(nèi)變成正電荷時，它們可以充當陰離子吸附位點。由于這個原因，碳的活化在酸性pH值而不是堿性pH值條件下表現(xiàn)出相對較高的砷吸附能力。然而，H3AsO4的酸度系數(shù)值為2.19、6.94和11.5。例如，砷酸鹽的主要種類是H3AsO4和H2AsO4-在pH值2.19。因此，當溶液pH值低于2時，砷的主要種類變?yōu)橹行浴；钚蕴亢捅晃�附物之間的靜電相互作用變得排斥。此外，由于用鹽酸調(diào)節(jié)pH，砷酸鹽和氯離子之間的競爭會抑制砷酸鹽的吸附。相反，砷的主要種類是堿性pH范圍內(nèi)的陰離子。然而，當溶液的堿度大于每個樣品的pHpzc時，碳表面帶負電荷。這些強堿性條件在靜電上不適合陰離子吸附。此外，過量的氫氧根離子也在堿性區(qū)域中充當強競爭離子。綜上所述，陰離子吸附在堿性pH范圍內(nèi)是不利的。

　　圖1：活性炭在各種平衡pH范圍內(nèi)對砷吸附的影響。

　　吸附等溫線

　　我們在圖2中顯示了連續(xù)加熱處理活性炭的朗繆爾吸附等溫線。由于顯示出大吸附容量的pH值較窄，因此我們將平衡pH條件確定為pH6.6-7.0。在此范圍內(nèi)，大多數(shù)經(jīng)CVD處理的樣品顯示出穩(wěn)定的吸附能力。決定系數(shù)指出朗繆爾等溫線與所有樣品的合適匹配。因此，該結(jié)果表明砷吸附可以發(fā)生在單層上。總之，該結(jié)果支持了砷酸鹽吸附發(fā)生在NQ位點、石墨烯層上的π電子質(zhì)子化以及活性炭的含氧和氮的基本官能團質(zhì)子化的想法。

　　圖2：活性炭的砷吸附朗繆爾吸附等溫線。

　　具有微孔表面的活性炭適合作為砷吸附劑，實驗結(jié)果是增加活性炭的比表面積和高濃度的季氮含量將增強所有pH范圍內(nèi)的砷吸附。蒸汽活化的連續(xù)處理前驅(qū)體的氮含量影響了基本官能團，因此由低含氮前驅(qū)體制成的樣品在酸性pH條件下表現(xiàn)出低砷吸附能力。如果熱處理后的結(jié)構(gòu)容易被活化工藝破壞，熱化學(xué)氣相沉積工藝后產(chǎn)生的表面會在活化過程中丟失。熱化學(xué)氣相沉積工藝引入的氮將在整個pH范圍內(nèi)的砷吸附機制中發(fā)揮重要作用。因此，活性炭前體應(yīng)具有抗熱處理的剛性表面，經(jīng)過處理后氮含量增加了1.7%。由于其介孔表面，增加是所有前體中比較高的。

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