活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭用于增强汞的去除

　　汞(Hg)是一种高毒性重金属元素，广泛存在于工业废水、矿山排放和燃煤电厂的尾气中。其生物累积性和持久性使其极易通过食物链进入人体，对神经系统、肾脏和免疫系统造成不可逆伤害。因此，开发高效、环保的水中汞去除技术成为当前环境科学领域的研究重点。

　　在众多去除汞的技术中，吸附法因其操作简便、成本低、效果好而受到广泛关注。特别是活性炭材料，凭借其比表面积大、孔隙结构丰富和表面化学可调性，在水处理领域具有广泛应用前景。然而，传统活性炭对汞的吸附能力仍然有限，尤其是在低浓度条件下，吸附容量和选择性表现不足。因此，研究者不断尝试通过表面功能化方法改性活性炭，增强其对汞的专一性吸附。

　　本研究采用含硫官能团(如–SH、–S–、–CSSH)对活性炭进行化学修饰，制备出一系列硫改性活性炭(S-ACs)，系统评估其对水中Hg(II)的吸附能力与机理，以期开发出一种新型、高效、可再生的水体汞去除材料。

　　材料改性与表征

　　改性方法

　　原始活性炭首先进行酸处理，以去除杂质并增加表面羧基等活性位点。随后使用三种不同含硫试剂进行表面功能化，包括：

　　硫代乙酰胺(TAA);

　　硫代乙酸(TAAc);

　　二硫化物(如Na2S2O3)。

　　改性过程中，硫元素通过共价键或络合方式固定在碳材料表面，形成高亲汞性的吸附位点。这些含硫官能团对Hg(II)具有极强的亲和力，可显著增强选择性吸附能力。

　　材料表征

　　通过比表面积测试(BET)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)等技术，确认改性成功并分析结构变化。结果表明，改性过程中虽然略微降低了比表面积，但显著增加了表面含硫官能团的种类和数量，特别是–SH和–CSSH基团，这些基团对汞的络合作用至关重要。

　　吸附性能分析

　　吸附实验

　　在批量吸附实验中，研究者分别将原始活性炭(AC)与硫改性活性炭(S-ACs)用于去除水溶液中Hg(II)。结果显示，所有S-ACs的吸附能力均优于原始AC，其中TAAc修饰样品表现最佳，最大吸附容量达到近160mg/g，远高于普通活性炭的吸附水平(约60mg/g)。

　　吸附等温线和动力学

　　实验数据拟合Langmuir和Freundlich吸附等温模型，发现S-ACs对汞的吸附更符合Langmuir模型，说明其为单分子层吸附过程。同时，吸附动力学分析结果符合伪二阶模型，表明汞与表面活性位点之间可能存在化学吸附机制，而非单纯的物理吸附。

　　影响因素探讨

　　溶液pH

　　吸附效率受溶液pH影响较大。在pH为5–7范围内，Hg(II)主要以Hg²⁺形式存在，与表面硫基团络合效率较高，吸附性能最强;当pH过低时，质子与吸附位点竞争，抑制汞的结合;而在高pH条件下，可能生成Hg(OH)₂沉淀，影响吸附路径。因此，S-ACs的最佳工作pH范围在5~7之间。

　　共存离子影响

　　实际废水中常含有Na⁺、Ca²⁺、Zn²⁺等金属离子，可能对吸附产生干扰。实验发现，S-ACs对Hg(II)具有显著选择性，尽管存在竞争离子，其吸附容量下降有限。这表明硫基团对汞的亲和性优于其他金属离子，赋予了材料较强的抗干扰能力。

　　吸附机制与再生性能

　　吸附机制

　　通过XPS谱图分析，Hg(II)吸附后在材料表面出现了Hg–S键的特征峰，说明Hg与–SH等硫基团形成稳定络合物。部分样品还检测到Hg₂Cl₂等沉淀物，推测在吸附过程中可能同时伴随物理吸附与化学反应。总体机制包括：

　　表面络合：Hg(II)与–SH、–S–形成稳定配位键;

　　电荷吸引：材料表面带负电，有利于吸引Hg²⁺;

　　沉淀共沉：部分Hg与氯离子结合形成难溶化合物。

　　再生利用

　　采用HCl等解吸液处理已吸附饱和的S-ACs，研究其再生能力。结果显示，经过五次吸附–解吸循环后，材料仍保留约85%以上的初始吸附容量，表现出良好的循环稳定性与经济性，适合推广应用。

　　本研究表明，通过引入含硫官能团改性活性炭可显著提升其对水中Hg(II)的吸附性能。硫改性活性炭不仅具有高吸附容量、良好选择性和适应性，还具有优异的再生性能，是一种前景广阔的水处理材料。尤其在低浓度汞污染治理和实际复杂水体条件下，表现出较强的竞争优势。

　　未来研究可进一步从以下几个方面展开：

　　官能团优化：研究不同结构和价态的硫化合物对吸附性能的影响;

　　多污染物协同吸附研究：评估S-ACs对多种重金属或有机污染物的协同去除能力;

　　固定床和动态实验：推动材料从实验室向实际工程应用过渡;

　　绿色制备工艺：开发低成本、环保的改性途径，降低商业应用门槛。

　　通过持续改进材料性能与工艺控制，硫改性活性炭有望在工业废水净化、饮用水安全保障等领域发挥更大作用，为实现水环境治理和可持续发展目标提供有力技术支撑。

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