活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭吸附消除铁对环境的影响

　　工业化促进了经济和社会发展，但不断增长的工业设施加剧了污染物排放，影响了整个生态系统。水污染是工业化带来的令人痛心的影响之一。数据表明近60%的地表水和50%的饮用水所含铁离子，由于采矿活动、处理厂等活动造成部分地区水源中铁含量极具上升，过多的铁堆积可能会导致严重的健康问题。本次研究通过活性炭吸附技术进行水中铁的处理，实验过程中通过分批和固定床吸附去除铁离子的可行性。

　　铁的基本介绍

　　元素周期表中的第26位元素铁是一种重要元素。它覆盖了大约5%的地壳，是第二丰富的金属，而在元素中仅次于氧、硅和铝。元素铁是过渡族金属。基本氧化态为+2(亚铁)和+3(三价铁)，尽管也有+4(亚铁基)和+6(高铁酸盐)氧化态。+2态的铁化合物被标记为亚铁，由浅绿色Fe离子组成，而+3态的铁化合物被标记为三价铁，并包含Fe复合离子，它从黄色转变为橙色，最终转变为棕色，依赖于水解程度。在含氧水中，Fe2+离子被氧化为Fe3+离子。氧化速率主要取决于H+离子浓度和溶液温度。与三价铁离子相比，亚铁离子保留在溶液中的铁量通常更高，与铁元素相比，亚铁元素往往具有更高的溶解度。

　　吸附除铁

　　铁的毒性很高，因此，有必要将这种污染物控制在排放水平。有许多技术可用于从饮用水和城市废物中去除铁，如离子交换和水软化、超临界流体萃取、曝气氧化、微滤/超滤、曝气颗粒过滤器和生物修复。这些技术的主要缺点是它们要么价格昂贵，要么没有电就无法使用。吸附法是吸附物质(吸附物)粘附在固体表面上。吸附物存在于流体相中，作为溶解在液体或气体中的溶质。由于其易于使用、设计简单、能力强、成本低、副产物产生量低和治疗效果好，它比其他治疗方法更受青睐。这是一种表面现象，它需要废水中的污染物聚集到吸附剂的表面。金属离子在吸附剂上的这种沉积发生在吸附剂的界面处，从而产生二维结构。这取决于吸附剂的特性，如表面电荷、表面积和表面功能。吸附也优于其他去除过程，因为它的高效性以及再生吸附剂和回收吸附物的可能性。可以克服这些困难的方法之一是通过各种吸附剂吸附铁。由于其多功能行为，活性炭已被确定在废水处理中具有很高的活性。

　　活性炭结构

　　活性炭的具体原子构型尚不清楚，尽管它在水和空气净化方面具有重要的商业意义。通过热解法制备的碳的构型。她指出，这些碳可以分为两个不同的组，即石墨化和非石墨化。活性炭衍生出的碳是非石墨化的，这意味着即使在非常高的温度(≥3000℃)下，它也可以转变为结晶石墨。中子衍射研究表明，非石墨化碳具有类似于富勒烯的骨架，如图1所示。这种配置将阐明碳的微孔结构及其其他特性。从x射线和中子衍射研究中获得的衍射数据已根据由非六角环组成的结构进行了阐明，但无法提供任何明确的证据表明原子以五角环或六角环的形式键合。

　　图1：弯曲片段的示意图，包含五边形和七边形环以及六边形。

　　除了活性炭的结晶和化学构型外，其多孔结构在各种应用中也起着至关重要的作用。活性炭的吸收能力与表面积、孔体积和孔径分布高度相关。它主要取决于原料的性质和化学处理。活性炭的多孔结构是在碳化过程中通过消除原材料中的非碳物质产生的，该原材料产生具有基本孔结构的固定碳块，并在活化过程中进一步发展。活化过程扩大了碳化过程中产生的孔隙的直径，同时产生了一些新的孔隙，从而形成了一个发达的多孔结构。活性炭中的孔隙分布在各种尺寸和形状上。所得活性炭的孔径分布主要受浸渍程度的影响。活化和碳化条件是影响所得活性炭孔隙率类型的最关键参数。活性炭对孔径的分类如下：大孔(>50nm)、中孔(2–5nm)和微孔(<2nm)。微孔可以进一步细分为超微孔(<0.5nm)和超微孔(1-2nm)。中孔作为吸附物分子通过微孔网络的通道。大孔没有任何意义，但它们有助于引导金属离子进入中孔和微孔表面。活性炭的特征孔径分布如图2所示。

　　图2：活性炭孔隙结构示意图。

　　实际工况对活性炭吸附铁的影响

　　吸附过程在很大程度上取决于各种限制条件，例如pH值、吸附剂剂量、初始浓度、接触时间和温度。详细研究这些参数对活性炭吸附铁的影响，来确定最佳条件。

　　活性炭用于在2到6的几个pH范围内从水相中排除Fe(II)离子。他们调查发现，在pH<3时，去除效率最低。随着溶液pH值的升高，去除百分比显着增加，并且在pH5.0时达到最大去除率，因为在较高的pH值下，H+的数量较少和更大的没有。带负电荷的配体导致更高的金属吸附。重金属消除在pH值5-6下保持恒定，但由于金属氢氧化物沉淀，避免了对pH值6以上的研究。

　　吸附在活性炭上的铁量是随着接触时间的增加而增加。由于溶液中吸附剂和金属离子之间的高驱动力以及更高的no的存在，吸附速率在最初的90分钟内很快。开始时可及的吸附位点，缓慢减速并在150分钟左右达到平衡。将运行时间延长至6小时对金属离子的残留浓度没有任何影响，表明在150分钟时达到平衡，超过此时间，铁离子的积累使其难以扩散到吸附剂中。随着微孔填充的增强，扩散阻力增加，这与接触时间的影响相矛盾。

　　金属离子的去除是一个高度依赖于浓度的过程，可以被认可为质量传递的影响。吸附由分子在活性炭吸附剂边界上的单层覆盖来调节。因此，吸附过程最初非常迅速。在更高的浓度下，碳表面上存在的空位将被更多的吸附物包围。因此，金属离子不仅被单层吸附在活性炭吸附剂的外围表面，而且还扩散到活性炭颗粒的内部。

　　色谱柱吸附研究

　　间歇吸附实验通常用于评估吸附消除金属离子的效果以及最大吸收能力的测定。间歇式反应器适用于中试规模，但不太适合工业化应用。在填充床反应器中进行连续吸附以确定其工业适用性。它们易于操作，并且可以很容易地从实验室程序中放大。连续柱在平衡情况下不起作用。流速的影响会影响色谱柱中溶质的流动行为。

　　活性炭吸附消除铁对环境的影响，虽然铁对人类来说是一种重要的矿物质，但如果水中的铁含量超过一定水平，就会导致水无法饮用，从而导致各种健康障碍。为人们提供安全饮用水是具有普遍意义的人类需求。因此，高效和价格合理的技术是必不可少的，使用活性炭来进行水处理，去除水中的铁来保障安全的饮用水。

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