活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭吸附去除柱状藻红

　　气候变化和水生环境中营养物质可用性的增加增加了蓝藻水华的发生，蓝藻水华可以产生蓝藻毒素，如圆柱藻蛋白酶等危害水环境。多项研究表明，活性炭吸附可有效去除溶解的蓝藻毒素，而不会产生副产物。根据构成碳的颗粒的大小，这种吸附剂有粉状和颗粒状两种形式。一般来说，使用粉状活性炭投放比较方便，但是重复利用性不太好。与颗粒活性炭相比，它可以再生经济性更强。

　　活性炭特性及吸附平衡试验

　　活性炭的BET表面积和微孔和中孔的体积使用在-196℃下的氮吸附等温线测定。一旦获得吸附等温线，通过应用Brunauer-Emmett-Teller和Dubinin-Radushkevich方程确定微孔的表面积和体积。认为碳样品的微孔和中孔体积之和对应于在0.95(V0.95)的相对压力下吸附的液氮体积。因此，通过从V0.9中减去微孔的体积来获得中孔的体积。进行吸附平衡测试以确定每种碳的平衡时间。在其程序中，该标准表明碳与含有污染物的溶液之间的接触时间为两小时，考虑到该时间足以稳定吸附过程的平衡。但是，该标准表明需要进行研究以验证该时间是否足以达到平衡条件。因此，在吸附平衡测定之前，进行了测试以确定达到吸附过程平衡所需的时间。

　　对于吸附测试，用每种活性炭制备悬浮液。为了制备悬浮液，将活性炭置于接地状态，直到95%的碳样品质量通过325目(0.044毫米)的筛子;然后将粒度降低的碳在烘箱中在150℃下干燥3小时。之后，将碳储存在干燥器中冷却至室温。将干燥的碳称重，并通过添加不含CO2的超纯水制备悬浮液。在600mmHg的负压下，悬浮液在真空干燥器中再保持12小时，以消除活性炭间隙中存在的空气。

　　测定平衡时间的吸附试验对每种活性炭进行两次。使用了7个装有500mL研究水的1L烧杯。每个烧杯接受一份活性炭悬浮液，以在水研究中获得80mg/L的初始浓度。将烧杯放在一个罐子测试设备中，将混合速度保持在205rpm在恒温23℃的环境中。采用的接触时间为0.5、1、2、3、6、12和24小时。接触时间后，将每个烧杯从搅拌中取出，立即通过孔径为0.22μm的纤维素酯膜过滤研究水，以分离碳并中断吸附过程。分析过滤后的水馏分的pH值和柱状藻红浓度。图1显示了平衡时间测定分析中评估的条件的示意图。

　　图1：平衡时间测试示意图。

　　模拟吸附过程

　　在第一实验阶段获得的吸附平衡测试的实验数据适合等温线模型Langmuir、Freundlich和Redlich-Peterson。将最适合吸附平衡数据的等温线模型的参数值应用于HSDM模型，以模拟SBA柱中的吸附过程。该模型考虑了发生在两个连续扩散步骤中的吸附过程，即：通过活性炭颗粒周围的固定流体层扩散(膜扩散)和通过活性炭内部孔的扩散(表面扩散)，如图2所示。

　　图2：活性炭颗粒中的传质-吸附过程示意图。

　　吸附平衡测定

　　在所研究的浓度范围内，活性炭显示出更高百分比的柱状藻红去除率。较高的柱状藻红吸附能力可能与较高体积的活性炭中孔有关，这可能有利于柱状藻红分子的保留。基于柱状藻红的分子尺寸，0.911×1.174×1.218，具有更高体积中孔(直径在2和50nm之间)的活性炭结构特征似乎更适合柱状藻红分子的吸附。吸附平衡实验数据符合Freundlich、Langmuir和Redlich-Peterson等温线模型。实验数据的调整通过线性和非线性回归进行，除了Redlich-Peterson模型，由于该模型具有三个参数，因此仅通过非线性回归完成调整。图3显示了柱状藻红去除百分比作为木质活性炭和煤质活性炭浓度的函数。

　　图3：柱状藻红去除量与水基质中应用活性炭浓度的函数关系。

　　活性炭吸附去除柱状藻红的研究中，研究了两种活性炭，在工作台规模上研究了它们对圆柱藻蛋白酶的吸附能力，旨在将其以颗粒形式应用于固定床吸附塔。碳的结构表征指出，木质活性炭比煤质的更富含中孔，具有更多的微孔结构与更大的比表面积。吸附等温线显示，木质活性炭比煤质表现出更高的柱孢霉吸附容量。另一方面，Langmuir模型更好地代表了木质活性炭对蓝藻毒素的吸附。但是还需要评估不同浓度的柱状藻红和有机物对圆柱藻蛋白酶突破曲线的影响，因为它们的水平在水生环境中往往变化很大。

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