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金屬吸附活性炭原理
發(fā)布時間：2023-02-13 瀏覽量：2893
金屬，特別是重金屬，是水體污染的主要元兇之一。已知大多數(shù)重金屬是致癌物質(zhì)，由于其不可降解性、持久性和累積性，對人體構(gòu)成嚴(yán)重威脅。工業(yè)廢物是天然水中各種金屬污染的主要來源。去除工業(yè)廢水中過量的重金屬是健康和環(huán)境安全的重要課題。許多方法已被證實能應(yīng)用于水體中重金屬的消除，如化學(xué)沉淀、浮選、反滲透、離子交換和超濾。然而受到一些自身不足的限制，如效率低下、工作環(huán)境敏感和易產(chǎn)生有毒泥漿等。因此，迫切需要更多實用性環(huán)保技術(shù)的開發(fā)。吸附技術(shù)具有高效性、經(jīng)濟(jì)性和選擇性，對水體金屬去除表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。用于水體中金屬吸附的材料種類繁多，主要包括傳統(tǒng)吸附劑(活性炭、沸石、黏土、生物吸附劑和工業(yè)副產(chǎn)品)和新型納米吸附劑(富勒烯，碳納米管，石墨烯)。具有多孔結(jié)構(gòu)的吸附劑，因其具有大比表面積、高的孔容和豐富的孔道結(jié)構(gòu)，對金屬吸附具有優(yōu)異的吸附性能。
活性炭具有發(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu)( 大孔、介孔和微孔)、高比表面積以及易功能化的表面，被廣泛應(yīng)用于凈化污水中的金屬。評價活性炭對雙金屬組分 Cu2+ 和 Pb2+吸附性能時，發(fā)現(xiàn)對兩種金屬的最大吸附量分別為0.45 mmol/g 和0.53 mmol/g。采用活性炭去除溶液中 Ni2+、Co2+、Cd2+、Cu2+、Pb2+、Cr3+ 和 Cr6+ 的研究時，發(fā)現(xiàn)活性炭對上述金屬的吸附能力由高到低順序為 Cr6+> Cd2+ > Co2+> Cr3+> Ni2+>Cu2+>Pb2+，并證實活性炭對金屬的吸附能力與溶液的pH 值相關(guān)。當(dāng) pH 值為1時，該活性炭對Cr6+具有最大的去除效果，去除率為99.99%;其它金屬的最優(yōu)pH值在3~6之間，去除率達(dá) 97.48%~ 99.68%。利用硝酸和氫氧化鈉處理活性炭纖維，能夠?qū)Σ牧媳砻嬗行Ц男?，從而促進(jìn)對金屬吸附性能的提高。研究發(fā)現(xiàn)硝酸氧化處理能大幅提高活性炭的酸度，總酸度3 倍于未處理的活性炭，促進(jìn)了其離子交換容量的增加。硝酸氧化后材料表面氧物種濃度明顯提高，氫氧化鈉處理后表面羚基物種明顯下降，但酯基物種濃度明顯增加。活性炭對 Cu 和 Ni 離子吸附能力與其表面的酯基或酸性官能團(tuán)有關(guān)。將表面活性劑十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉或二辛基磺基琥珀酸鈉浸漬到活性炭表面，能有效地提高活性炭對金屬的吸附能力。在 pH值為6時，表面活性劑浸漬的活性炭去除 Cd2+ 的量高達(dá)0.198 mmol/g，較不含表面活性劑的活性炭對Cd2+的去除量(0.016 mmol/g)高出一個數(shù)量級。活性炭吸附 Cd2+的能力與其所浸漬的表面活性劑的含量呈正比增加?；钚蕴康谋砻骐姾稍谒袦y試的 pH值范圍(pH值=2~6)內(nèi)都是負(fù)的。這些結(jié)果表明，用陰離子表面活性劑進(jìn)行表面改性可以顯著增強(qiáng)活性炭吸附陽離子的能力。
黏土成本較低，其原料來源豐富(蒙脫土、高嶺石、蛭石和針鐵礦等)。其具有較高的比表面積、優(yōu)異的吸附性能、無毒性以及大的離子交換潛力，較許多商業(yè)吸附劑表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。黏土還含有可交換的陽離子和陰離子，改性后作為吸附劑用于吸附水體中金屬受到各國研究者的廣泛關(guān)注。大部分黏土礦物帶負(fù)電荷，具有高的陽離子交換容量，能高效地吸附溶液中的金屬陽離子。近年來科學(xué)家進(jìn)行了大量研究以探索天然黏土和處理或改性黏土的吸附性能，分別考察了初始溶液 pH值、初始金屬濃度、接觸時間和吸附劑用量等因素對黏土吸附重金屬過程的影響。例如，采用四種突尼斯黏土吸附水體中 Pb2+，發(fā)現(xiàn)其對 Pb2+ 的吸附隨著溶液 pH值的增加而增加，在中性 pH (7.0)附近達(dá)到最大值，隨著堿性增強(qiáng)，一些Pb2+開始沉淀。結(jié)果還證實陽離子交換是酸活化黏土吸附 Pb2+ 的主要機(jī)制。用金屬鹽(FeCl3、AICl3、CaCl3、MgCl3和MnCl3)對Akadama黏土進(jìn)行功能化，用于去除水溶液中 Cr6+。發(fā)現(xiàn) FeCl3功能化的黏土表現(xiàn)出最好的吸附性能，在 pH值區(qū)間為2~8時，功能化黏土的吸附性能受溶液 pH值影響不大。采用碘化鉀修飾的鈦柱撐黏土(Ti-PILC)，因較大的比表面積對 Hg0 顯示出優(yōu)異的去除能力，并且其去除效率隨著溫度升高而提高。黏土吸附性能高度依賴于煅燒溫度，一些研究報道發(fā)現(xiàn)吸附能力隨著煅燒溫度升高先提高，然后在非常高的溫度下開始降低。通過改性或功能化可以增加黏土的比表面積和吸附能力，從而使得改性黏土有更加廣闊的應(yīng)用前景。
盡管活性炭和黏土有著自身應(yīng)用的優(yōu)勢，然而也存在著低吸附容量和低金屬選擇性的問題。介孔二氧化硅，例如 MCM-48、MCM-41、HMS 和SBA-15，具有較大的比表面積、較窄的孔徑分布和可控的孔徑，可以通過向表面引入合適的官能團(tuán)來改善其對目標(biāo)金屬的親和力，因而在吸附水體中金屬的應(yīng)用中表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。從最早采用丙硫醇改性的 MCM-41和HMS 二氧化硅，專用于廢水中的重金屬的去除開始，功能化介孔二氧化硅用于吸附廢水中的金屬離子引起了研究者的關(guān)注。例如研究者對比了硫醇和胺功能化對 SBA-15 吸附重金屬能力的影響發(fā)現(xiàn)胺化的 SBA-15對 Cu 具有優(yōu)異的吸附能力，而硫醇功能化對 Cu的吸附影響不大。其它胺化和硫醇化的大孔- 介孔二氧化硅對重金屬離子的吸附研究，得到了類似的結(jié)果。將 3-(2- 氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷接枝到 HMS 介孔二氧化硅表面，發(fā)現(xiàn)其對 Cu 的吸附能力較硅膠提高 10 倍以上。除了易于接觸陽離子到達(dá)介孔材料活性位點的速率也是影響其吸附效率的重要因素。研究Cu離子到達(dá)氨丙基接枝二氧化硅的活性位點的速度時，發(fā)現(xiàn)金屬離子的尺寸和電荷是影響吸附速率的動力學(xué)因素。計算 Cu2+ 和H2+擴(kuò)散系數(shù)時發(fā)現(xiàn) Cu2+ 擴(kuò)散系數(shù)是 H2+的1/4~1/3，這是因為 Cu2+具有更大的尺寸以及具有兩個正電荷，遭到更大的排斥力。此外，研究者研究了銅離子到達(dá)孔徑為4~ 15 nm 和有機(jī)負(fù)載為1.4~ 1.9 mmol/的氨丙基接枝二氧化硅的活性位點的速率，發(fā)現(xiàn)均勻溶液中的擴(kuò)散過程取決于許多參數(shù)，如吸附劑孔徑、金屬離子尺寸、官能團(tuán)表面密度以及二氧化硅的結(jié)構(gòu)。不同于無序孔結(jié)構(gòu)，有序介孔材料可以有效避免在接枝過程中導(dǎo)致的孔隙堵塞。研究比較不同孔徑大小和形狀的有序介孔二氧化硅 (MCM-41和 MCM-48) 和硅膠上的吸附過程，發(fā)現(xiàn)使用平均孔徑為 6~ 7 nm 的有序介孔二氧化硅具有更高的吸附效率和吸附速率，而孔徑為 3.5 nm 的有序介孔二氧化硅與大孔硅膠表現(xiàn)出相似的效率。
富勒烯具有較大的比表面積，因此可以用作工業(yè)廢水中重金屬的吸附凈化。富勒烯直接或作為聚苯乙烯基復(fù)合膜材料的一部分對 Cu2+ 表現(xiàn)出高的去除效率，單分子層石墨烯對 Cu2+的吸附容量達(dá) 14.6 mmol/g，并且發(fā)現(xiàn)富勒烯上 Cu2+ 的吸附平衡等溫線符合Langmuir模型。良好的化學(xué)穩(wěn)定性、大的比表面積(150~1500 m2/g，遠(yuǎn)高于富勒烯)和可用的發(fā)達(dá)中孔結(jié)構(gòu)，使得碳納米管可作為吸附劑用于去除水體中重金屬。用濃 HNO3處理多壁碳納米管可以顯著增加其吸附能力，這是由于酸化的碳納米管表面產(chǎn)生的氧官能團(tuán)可以與 Pb2+ 反應(yīng)形成復(fù)合物或鹽沉淀物。需要指出的是，酸化的碳納米管在 pH 值為 2.0 時，20 min 即可達(dá)到吸附平衡，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于活性炭的 2 h。此外，石墨烯基的吸附材料同樣具有較好的吸附金屬能力。
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