活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　将活性炭应用于受污染的沉积物是一种具有巨大潜力的原位修复方法。使用传统方法修复受污染的沉积物，例如用惰性材料进行疏浚或封盖，可能非常费力且昂贵。作为一种更具成本效益的替代方案，已经开发并测试了活性炭吸附剂的原位修正。对于沉积物修复的这种方法，污染物不必被物理去除或分离，但是通过与施加的吸附剂材料结合，其流动性和生物利用度显着降低。

　　使用的吸附剂类型取决于目标位置存在的污染物。对于被疏水性有机污染物(HOCs)污染的沉积物的修复，活性炭已被确定为高效吸附剂。通过活性炭修正，各种HOC的生物累积和释放到水相中都降低了高达98%。当吸附剂直接混入沉积物中时，达到这种程度结果所需的活性炭剂量通常低于沉积物干重(dw)的5%。当用作薄层帽时，所需的活性炭量可能更高，因为需要对处理部位进行无间隙覆盖。已经发现，在实验室和现场条件下，活性炭帽厚度为2-5mm效果明显。本研究的目的是通过开发一种新型修复材料对沉积物的修复，该修复材料将颗粒活性炭的低环境影响与粉末活性炭的高修复潜力相结合。对新型材料的另一个概念要求是它在现场易于应用而无需特殊设备。由于材料的高浮力是妨碍活性炭颗粒沉降到所需位置(特别是在更深的水体中)的主要问题之一，因此新开发的材料也被优化为快速下沉。这允许它在浅水和深水中从水面施加。

　　新型活性炭吸附剂颗粒

　　使用粘土与颗粒活性炭1:1混合加温混合后获得的新型活性炭，这种生产方法被认为是成功的，因为该材料可以保持其形状并且不会在水中崩解。生产过程的效率相对较低。由于活性炭燃烧，约25-50%的制备的新型活性炭成品损失。然而，活性炭烧尽产生了粘土层，其与施加的粉末活性炭层结合，防止氧气到达下面的材料。活性炭耗尽后且可用的材料的结构足够大，以允许容易的机械分离。在立体显微镜下检查最终产品，揭示了颗粒的预期砂岩状结构，单个活性炭颗粒嵌入粘土基质中。图1是新型活性炭粘土颗粒，由嵌入稳定粘土基质中的粉末状活性炭颗粒和常规颗粒活性炭组成。用宏观镜拍摄的照片，该图的扩展版本显示了在生物测定中使用后吸附剂材料以及随后从沉积物中回收的吸附剂材料。

　　吸附材料的持水量相比，新型活性炭的水渗透性显着增加。虽然通过预先加热活性炭可以略微提高持水量，但这种差异在统计上并不显着。活性炭粘土的水渗透性较大是其砂岩状基质的结果。它增加了颗粒内部活性炭表面与周围介质相互作用的可能性，并促进污染物的扩散。

　　吸附剂材料的浮力测试表明，新型活性炭在水中的沉降速度明显快于普通活性炭。不能用未经处理的干燥活性炭进行测试，因为大部分颗粒粘附在水面上并且没有穿过整个柱而是漂移回到表面。在生物体暴露试验之前的沉积物制备​​阶段也进行了这种观察，活性炭颗粒由于其浮力而难以应用于沉积物。这表明活性炭需要在实验之前进行预处理，以避免由于漂移而无意识地扩散到非目标区域。

　　测试过程中沉积物的表征和水质

　　受PCB污染的天然沉积物的dw含量为53.5±0.1%，TOC含量为52.5±0.6g/kg，人工沉积物的dw含量为67.7±0.1%，TOC含量为42.9±0.9g/kg。在任何实验中，水质参数均未超过可接受的值。氧饱和度通常高于60%。天然沉积物中的pH值保持在6.4和8.4之间，最高测量的氨浓度为1.4mg/L，尽管在大多数容器中没有发生显着的氨生成。填充人工沉积物的微观世界中的水显示出8.0至8.8的较高pH值和较高的氨水平(高达3.3mg/L)。

　　修复效率

　　与具有两种测试的常规活性炭相比，新型活性炭的性能明显更高。与未修饰的对照沉积物相比，活性炭的使用量在3.4%时大多无效。只有最高使用剂量(7.5%)的活性炭能够显着降低多氯联苯的生物累积43.44±3.03%(图2)。另一方面，新型活性炭在2.0%，4.0%和7.5%的剂量下有效。当新型活性炭使用到4.0%时已达到它材料的最高吸附效率，而不是7.5%的活性炭。使用新型活性炭材料几乎可以完全防止污染物积累。这些研究结果表明新型材料能更经济实用的修复污染的沉积物。

　　活性炭材料稳定性

　　评估两种活性炭材料的稳定性，即它们在暴露实验后从沉积物中回收。根据使用的剂量，可以回收大约56-90%的最初施用的活性炭和66-72%的新型活性炭。虽然新型活性炭的最大回收率往往较低，但差异无统计学意义。尽管不显着，但不能排除活性炭颗粒与新型活性炭颗粒的分离。鉴于活性炭在本研究中显示的小剂量的高影响，不能排除这对结果有影响。特别是，如果可以优化新型活性炭的生产过程以进一步减少活性炭的损失，则可以进一步降低不利影响。

　　虽然新型活性炭粘土材料可能无法清除由活性炭引起的不良反应，但它们显示出对有效吸附剂量的较低副作用的趋势。与活性炭相比，新型活性炭显示出更高的修复效率。由于颗粒的密度较高，这些优点进一步与更容易的应用和可能更好的现场保留吸附剂材料相结合。总而言之，新型活性炭可以成为传统颗粒活性炭和粉末活性炭的替代品。然而，由于材料的早期开发阶段，在实施现场规模应用之前需要进一步改进制造工艺。

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