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

　　活性炭用于增強(qiáng)汞的去除

　　汞(Hg)是一種高毒性重金屬元素，廣泛存在于工業(yè)廢水、礦山排放和燃煤電廠的尾氣中。其生物累積性和持久性使其極易通過食物鏈進(jìn)入人體，對神經(jīng)系統(tǒng)、腎臟和免疫系統(tǒng)造成不可逆?zhèn)�害。因此，開發(fā)高效、環(huán)保的水中汞去除技術(shù)成為當(dāng)前環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究重點。

　　在眾多去除汞的技術(shù)中，吸附法因其操作簡便、成本低、效果好而受到廣泛關(guān)注。特別是活性炭材料，憑借其比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)豐富和表面化學(xué)可調(diào)性，在水處理領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)活性炭對汞的吸附能力仍然有限，尤其是在低濃度條件下，吸附容量和選擇性表現(xiàn)不足。因此，研究者不斷嘗試通過表面功能化方法改性活性炭，增強(qiáng)其對汞的專一性吸附。

　　本研究采用含硫官能團(tuán)(如–SH、–S–、–CSSH)對活性炭進(jìn)行化學(xué)修飾，制備出一系列硫改性活性炭(S-ACs)，系統(tǒng)評估其對水中Hg(II)的吸附能力與機(jī)理，以期開發(fā)出一種新型、高效、可再生的水體汞去除材料。

　　材料改性與表征

　　改性方法

　　原始活性炭首先進(jìn)行酸處理，以去除雜質(zhì)并增加表面羧基等活性位點。隨后使用三種不同含硫試劑進(jìn)行表面功能化，包括：

　　硫代乙酰胺(TAA);

　　硫代乙酸(TAAc);

　　二硫化物(如Na2S2O3)。

　　改性過程中，硫元素通過共價鍵或絡(luò)合方式固定在碳材料表面，形成高親汞性的吸附位點。這些含硫官能團(tuán)對Hg(II)具有極強(qiáng)的親和力，可顯著增強(qiáng)選擇性吸附能力。

　　材料表征

　　通過比表面積測試(BET)、掃描電子顯微鏡(SEM)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、X射線光電子能譜(XPS)等技術(shù)，確認(rèn)改性成功并分析結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明，改性過程中雖然略微降低了比表面積，但顯著增加了表面含硫官能團(tuán)的種類和數(shù)量，特別是–SH和–CSSH基團(tuán)，這些基團(tuán)對汞的絡(luò)合作用至關(guān)重要。

　　吸附性能分析

　　吸附實驗

　　在批量吸附實驗中，研究者分別將原始活性炭(AC)與硫改性活性炭(S-ACs)用于去除水溶液中Hg(II)。結(jié)果顯示，所有S-ACs的吸附能力均優(yōu)于原始AC，其中TAAc修飾樣品表現(xiàn)最佳，最大吸附容量達(dá)到近160mg/g，遠(yuǎn)高于普通活性炭的吸附水平(約60mg/g)。

　　吸附等溫線和動力學(xué)

　　實驗數(shù)據(jù)擬合Langmuir和Freundlich吸附等溫模型，發(fā)現(xiàn)S-ACs對汞的吸附更符合Langmuir模型，說明其為單分子層吸附過程。同時，吸附動力學(xué)分析結(jié)果符合偽二階模型，表明汞與表面活性位點之間可能存在化學(xué)吸附機(jī)制，而非單純的物理吸附。

　　影響因素探討

　　溶液pH

　　吸附效率受溶液pH影響較大。在pH為5–7范圍內(nèi)，Hg(II)主要以Hg²⁺形式存在，與表面硫基團(tuán)絡(luò)合效率較高，吸附性能最強(qiáng);當(dāng)pH過低時，質(zhì)子與吸附位點競爭，抑制汞的結(jié)合;而在高pH條件下，可能生成Hg(OH)₂沉淀，影響吸附路徑。因此，S-ACs的最佳工作pH范圍在5~7之間。

　　共存離子影響

　　實際廢水中常含有Na⁺、Ca²⁺、Zn²⁺等金屬離子，可能對吸附產(chǎn)生干擾。實驗發(fā)現(xiàn)，S-ACs對Hg(II)具有顯著選擇性，盡管存在競爭離子，其吸附容量下降有限。這表明硫基團(tuán)對汞的親和性優(yōu)于其他金屬離子，賦予了材料較強(qiáng)的抗干擾能力。

　　吸附機(jī)制與再生性能

　　吸附機(jī)制

　　通過XPS譜圖分析，Hg(II)吸附后在材料表面出現(xiàn)了Hg–S鍵的特征峰，說明Hg與–SH等硫基團(tuán)形成穩(wěn)定絡(luò)合物。部分樣品還檢測到Hg₂Cl₂等沉淀物，推測在吸附過程中可能同時伴隨物理吸附與化學(xué)反應(yīng)�？傮w機(jī)制包括：

　　表面絡(luò)合：Hg(II)與–SH、–S–形成穩(wěn)定配位鍵;

　　電荷吸引：材料表面帶負(fù)電，有利于吸引Hg²⁺;

　　沉淀共沉：部分Hg與氯離子結(jié)合形成難溶化合物。

　　再生利用

　　采用HCl等解吸液處理已吸附飽和的S-ACs，研究其再生能力。結(jié)果顯示，經(jīng)過五次吸附–解吸循環(huán)后，材料仍保留約85%以上的初始吸附容量，表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性，適合推廣應(yīng)用。

　　本研究表明，通過引入含硫官能團(tuán)改性活性炭可顯著提升其對水中Hg(II)的吸附性能。硫改性活性炭不僅具有高吸附容量、良好選擇性和適應(yīng)性，還具有優(yōu)異的再生性能，是一種前景廣闊的水處理材料。尤其在低濃度汞污染治理和實際復(fù)雜水體條件下，表現(xiàn)出較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。

　　未來研究可進(jìn)一步從以下幾個方面展開：

　　官能團(tuán)優(yōu)化：研究不同結(jié)構(gòu)和價態(tài)的硫化合物對吸附性能的影響;

　　多污染物協(xié)同吸附研究：評估S-ACs對多種重金屬或有機(jī)污染物的協(xié)同去除能力;

　　固定床和動態(tài)實驗：推動材料從實驗室向?qū)嶋H工程應(yīng)用過渡;

　　綠色制備工藝：開發(fā)低成本、環(huán)保的改性途徑，降低商業(yè)應(yīng)用門檻。

　　通過持續(xù)改進(jìn)材料性能與工藝控制，硫改性活性炭有望在工業(yè)廢水凈化、飲用水安全保障等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，為實現(xiàn)水環(huán)境治理和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)提供有力技術(shù)支撐。

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