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

　　活性炭高效去除剛果紅色染料

　　紡織業(yè)是工業(yè)上主要的水消耗行業(yè)，依賴于各種染料類型，包括反應(yīng)性，直接，酸和分散的染料。剛果紅(Cr)是一種以其充滿活力以紅色為特征的合成重氮染料，在紡織工業(yè)中歷史悠久。Cr染料具有磺酸基團(tuán)(–SO3-)，可在溶液中電離，從而使其具有凈負(fù)電荷。將CR排入水體中會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)。這些染料通過改變水性質(zhì)，促進(jìn)富營養(yǎng)化和抑制植物的光合作用來破壞水生生態(tài)系統(tǒng)，最終損害水生生物。去除Cr和類似染料的高效和可持續(xù)處理方法已成為關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。

　　活性炭由于其眾多不同的優(yōu)勢(shì)，在吸附過程中引起了很大的關(guān)注。其高表面積是由其多孔結(jié)構(gòu)引起的，為吸附物分子(例如剛果紅)提供了豐富的結(jié)合位點(diǎn)，因此對(duì)于廣泛的環(huán)境和工業(yè)應(yīng)用，它的效率很高。此外，活性炭的固有再生能力可通過各種方法實(shí)現(xiàn)，可顯著增強(qiáng)其經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)性。此外，這些材料在環(huán)境上被認(rèn)為是優(yōu)秀的，對(duì)生態(tài)影響最小的，并且活性炭可以從各種碳質(zhì)量來源產(chǎn)生。本文重點(diǎn)介紹了活性炭對(duì)剛果紅的吸附處理效果和解吸再生的潛力，證明了活性炭在多次重復(fù)使用周期中保持效率的能力并突出了其經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可行性。

　　活性炭的形態(tài)和元素特征

　　FESEM圖像對(duì)吸附前后活性炭的形態(tài)變化提供了詳細(xì)的視覺分析。吸附前圖像(圖1a)揭示了高度不規(guī)則和粗糙的表面形態(tài)，其特征是木質(zhì)纖維素材料的多孔和片狀結(jié)構(gòu)。大型裂紋，空隙和顆粒狀碎屑很普遍，所有這些都導(dǎo)致了高表面粗糙度，并增強(qiáng)了可用的表面積以吸附。此外，發(fā)達(dá)的孔隙的存在證實(shí)了正磷酸激活在建立層次多孔網(wǎng)絡(luò)中的有效性，非常適合染料擴(kuò)散�；钚蕴勘砻嬖谖�附后經(jīng)歷了顯著的形態(tài)轉(zhuǎn)化(圖1b)。最初粗糙和不規(guī)則的質(zhì)地變得更加順暢，表明剛果紅分子的成功粘附。裂紋，空隙和孔隙開口的可見性降低，進(jìn)一步支持了這種轉(zhuǎn)變。進(jìn)行EDS以分析活性炭的元素性質(zhì)(圖1C)。吸附之前，活性炭表現(xiàn)出C和O的主要峰，這確定了活性炭的形成。另外，在正磷酸激活期間引入的磷最初以痕量量存在。

　　圖1：活性炭(a)吸附前和(b)吸附后的FESEM，(c)吸附前后活性炭的EDS光譜。

　　活性炭吸附剛果紅的實(shí)驗(yàn)研究

　　pH效應(yīng)如圖2A所示，在pH5到6之間，CR去除效率的邊際提高，然后在pH7周圍較小的降低。有趣的是，隨著pH從7的pH持續(xù)增加，去除效率的邊際上升提高至10。pH5和6之間觀察到的去除效率的略有提高歸因于活性炭的pH PZC與Cr51的PKA之間的關(guān)系。當(dāng)pH低于pH PZC時(shí)，活性炭帶有正電荷，而在pH PZC上方的pH值水平上，它達(dá)到負(fù)電荷。另一方面，CR的PKA為4.1，這會(huì)影響其在溶液中的電離狀態(tài)。在其PKA以下的pH值下，Cr主要存在于其質(zhì)子化形式，其中胺(–NH2)和磺酸(–SO3-)組分別形成NH3+，SO3h和SO3h。在5至6的pH中，pH PZC為7.2的活性炭表面被帶正電荷。同時(shí)，CR的PKA為4.1，主要以其去質(zhì)子化形式存在。這種電荷差異促進(jìn)了帶電物種之間的靜電相互作用，從而提高了吸附性能。但是，在pH7左右看到的吸附效率略有下降，這可能是由于其靠近pH值所致活性炭的PZC。在此pH值下，吸附劑是中性的，因此吸引帶負(fù)電荷的Cr分子的可能性較小。

　　圖2:吸附參數(shù)包括(a)pH值的影響，(b)劑量的作用，初始剛果紅濃度的影響，以及(d)溫度對(duì)剛果紅在活性炭上吸附的影響。

　　吸附動(dòng)力學(xué)

　　吸附容量與時(shí)間的關(guān)系圖顯示，由于CR溶液中的高濃度梯度和活性炭上豐富的活性位點(diǎn)，在最初的30分鐘內(nèi)CR的初始吸收很快(圖3a)。這種最初的快速吸收可能是由物理吸附驅(qū)動(dòng)的，其中CR分子通過范德華力與活性炭表面弱結(jié)合。隨著吸附的進(jìn)行，速率降低，最終在180分鐘達(dá)到平衡。這個(gè)平臺(tái)表明活性炭上的結(jié)合位點(diǎn)已經(jīng)飽和。

　　圖3：(a)吸附動(dòng)力學(xué)，(b)吸附等溫線和(c)van't hoff圖，用于吸附Cr上的活性炭上。

　　解吸和吸附劑再生

　　在圖4a中描述的解吸實(shí)驗(yàn)證明了溶劑類型對(duì)從支出的活性炭中去除CR的顯著影響。溶劑按降低的解吸效率順序?yàn)榧状?乙醇>NaOH>HCl，其去除效率分別為55.28%，41.56%，23.66%和17.06%。與乙醇相比，甲醇的出色性能是由于其較低的分子量和較短的烴鏈。這些特性可能有助于更有效地滲透到活性炭的孔中，從而破壞CR-活性炭相互作用。此外，其較高的極性大概有助于破壞非共價(jià)相互作用，例如氫鍵或范德華力。相反，對(duì)NaOH和HCl觀察到的較低的解吸效率表明，強(qiáng)堿或酸不容易逆轉(zhuǎn)CR-活性炭的吸附。這可能是由于較大離子物種的孔穿透有限，可能受到空間效應(yīng)或擴(kuò)散屏障的阻礙，或者是由于與Cr反應(yīng)后保留在孔中保留的不溶性沉淀物的形成。因此，選擇甲醇作為再生研究的解劑溶劑。

　　圖4：(a)使用不同的解吸劑后，cr的活性炭的吸附效率;(b)甲醇在六個(gè)連續(xù)吸附-吸附周期內(nèi)通過甲醇的吸附效率。

　　在圖4B中介紹的甲醇的再生研究表明，每個(gè)循環(huán)的CR去除效率和吸附能力都略有下降，但活性炭保留了其初始有效性的很大一部分。從第一個(gè)周期到第二個(gè)周期，吸附性能從74.80%降低到55.28%。但是，從第二個(gè)周期到第六周期，它幾乎保持一致，達(dá)到42.27%-總體邊際降低僅為43.49%。這種下降是由于CR分子的不完全解吸，活性炭表面官能團(tuán)的改變以及在再生過程中活性炭的質(zhì)量略有損失。然而，可重復(fù)性研究表明，可以有效地再生活性炭在多個(gè)周期中去除CR，從而強(qiáng)調(diào)了其在工業(yè)廢水處理中可持續(xù)和經(jīng)濟(jì)應(yīng)用的潛力。

　　活性炭的吸附機(jī)制

　　圖5中描述了顯示活性炭和CR之間相互作用機(jī)制的示意圖。這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)表明，CR吸附在活性炭上受多基礎(chǔ)機(jī)制的控制，化學(xué)吸附起著主要的作用，而物理吸附也對(duì)整個(gè)過程產(chǎn)生了重大貢獻(xiàn)。然而，隨著吸附的進(jìn)展，PSO模型表現(xiàn)出了較高的擬合度，突出了化學(xué)吸附作用的增加。范德華力以及強(qiáng)大離子/靜電(化學(xué)吸附)以及π -π相互作用(物理吸附)。此外，Cr分子中芳香環(huán)和偶氮組(–n=n–)的疏水性質(zhì)通過與活性炭的非極性區(qū)域的有利相互作用而有助于吸附。

　　圖5：示意圖表示在吸附過程中SCAC和CR之間的關(guān)鍵相互作用。

　　活性炭高效去除剛果紅色染料，并評(píng)估了其去除剛果紅的有效性。FESEM圖像顯示，活性炭最初粗糙和不規(guī)則的表面形態(tài)在吸附后轉(zhuǎn)變?yōu)楦�光滑的紋理，證實(shí)了CR分子的有效附著。通過XPS和FTIR分析的進(jìn)一步表征確定了通過靜電相互作用、氫鍵和π-π相互作用促進(jìn)吸附的表面功能部分。吸附研究表明化學(xué)吸附是主要機(jī)制。解吸研究表明，甲醇是一種有效的解吸劑，使活性炭在多個(gè)循環(huán)中保持高吸附效率，突出了其可重復(fù)使用性。因此，活性炭作為去除剛果紅染料的低成本和環(huán)保解決方案顯示出巨大的前景。其高吸附能力和可重復(fù)使用性使其成為實(shí)際應(yīng)用的可行選擇。

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