活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭对亚硝基二乙胺的去除性能

　　家用自来水一般都是使用氯化消毒工艺来处理饮用水的，效果虽然很好，但是氯消毒剂与水中有机物反应产生的消毒副产物的存在。后来改进的新型处理方法是使用氯胺消毒工艺可以降低水中三卤甲烷和卤乙酸的质量浓度，不过也会出现亚硝胺产物。为了解决这些问题，讨论了改性活性炭的制备及其对亚硝基二乙胺的吸附性能。

　　目前，大部分研究涉及亚硝胺的吸附，基本都选择亚硝基二乙胺作为研究对象，选择活性炭作为吸附材料，三个因素单因素影响分析考虑高锰酸盐浓度、煅烧温度和煅烧时间。通过正交试验选择了对亚硝基二乙胺吸附效果比较好的改性活性炭，随后在不同的反应时间、活性炭用量和pH条件下进行了改性活性炭对亚硝基二乙胺的吸附实验。该结论为进一步揭示亚硝基二乙胺在活性炭上的吸附机理提供了理论参考。

　　活性炭改性处理后的材料表征

　　当原活性炭经受0.1mol/L、0.5mol/L和0.8mol/L高锰酸盐，煅烧温度为400℃、500℃、800℃，煅烧时间为2小时，5小时和7小时。通过三因素三水平正交试验和极差分析筛选出改性活性炭的合适组合。改性后观察到活性炭表面形态发生显着变化，分别如图1(b)所示。改性前的活性炭表面有较大的团聚颗粒，表面没有明显的孔隙结构。改性后表面粗糙，呈不规则凸起的刺状颗粒结构，孔隙结构发达。改性前后活性炭的XRD图如图1(c)所示。活性炭改性前后的峰形相似，但一些峰出现，另一些峰消失。图1(d)和1(e)分别显示了活性炭改性前后的吸附和解吸等温线。它们整体呈随P/P0增加的趋势，吸附量增加，但在相同情况下，改性活性炭的吸附能力更强。图1(f)为改性前后活性炭的孔容孔径分布，改性后的活性炭孔体积更大。改性活性炭的比表面积是活性炭的两倍，累积吸附总孔体积是活性炭的1.72倍。

　　图1：活性炭改性前后的材料特性。

　　活性炭吸附亚硝基二乙胺的正交试验结果

　　实验证明，当改性活性炭的用量为6g/L、8g/L或10g/L，反应时间为2小时、5小时或6小时，溶液的pH值为6、8或9时，亚硝基二乙胺的吸附效果增强。通过三因素三水平正交试验和极差分析，确定了活性炭的合适用量为8g/L，溶液pH值为6，反应时间为6小时。这三个因素的利弊顺序被确定为用量、酸碱度、反应时间。补充信息中包含了正交试验设计和极差分析。在合适条件下，改性活性炭对亚硝基二乙胺的吸附率达到78.66%。在相同条件下，未改性活性炭对亚硝基二乙胺的吸附率为36.1%，未改性预浸料活性炭对亚硝基二乙胺的吸附率为53.7%。

　　吸附动力学

　　根据动力学方程，当温度为25℃且改性活性炭用量为8g/L时，拟一级动力学和拟二级动力学分别用于拟合。发现二阶动力学方程的拟合效果更好，结果如所示图2。

　　图2：伪二阶动力学。

　　吸附等温线

　　当反应温度为25℃，投加量为8g/L时，可获得不同初始浓度下亚硝基二乙胺的平衡浓度和改性活性炭的平衡吸附容量。使用Langmuir和Freundlich热力学方程对数据进行拟合，结果如所示图3从图中可以看出，吸附过程不符合Langmuir等温线方程，Freundlich吸附等温线方程也适用。当初始浓度达到一定值时，吸附趋于平衡并达到饱和。

　　图3：吸附等温线。

　　具体吸附机理

　　改性后，活性炭的比表面积和孔容大大增加，并且可以观察到明显的孔结构，从而增加了活性炭对亚硝基二乙胺的吸附能力。在物理吸附过程中，亚硝基二乙胺与活性炭分子之间存在范德华引力，使亚硝基二乙胺分子吸附在活性炭表面直至达到吸附平衡。在这项研究中，改性活性炭在亚硝基二乙胺吸附过程中表现出解吸现象。原因是范德华引力小，分子间结合力弱，说明活性炭对亚硝基二乙胺的整体物理吸附效果较差。

　　亚硝基二乙胺在活性炭上的吸附主要发生在大孔和中孔中，在大孔径下吸附效果最好。影响亚硝基二乙胺在活性炭上吸附的因素的重要性顺序是用量、酸碱度和反应时间。活性炭上的吸附过程符合拟二级动力学模型，包括物理吸附和化学吸附。活性炭上的化学吸附类型主要为多分子层化学吸附，符合Freundlich方程。高锰酸盐预浸增加了活性炭表面含氧官能团，从而提高了亚硝基二乙胺的吸附效果。

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