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活性炭中亲水性微污染物的扩散
文章作者：韩研网络部 更新时间：2019-6-14 16:15:59

　　如果在用于饮用水生产的源水中检测到亲水性有机微污染物，那么一般从水中除去这些微污染物的技术是使用固定床过滤器中的活性炭进行吸附。使用活性炭吸附的速率一般是通过活性炭内的吸附物扩散来确定的。中孔活性炭可促进扩散，获得更高的吸附速率。本次我们使用两种不同类型的活性炭对亲水微污染物的吸附速率。此外，进行平衡研究以确定所选微污染物对活性炭的亲和力。将孔扩散模型应用于动力学数据以获得孔扩散系数。

　　人造有机微污染物，如工业化学品及其转化产物，常见于地表水和地下水。微污染物可能通过污水处理厂的废水和农田的径流进入环境。在过去的几十年中，在用于饮用水生产的水体中检测到了数十种微污染物。由于人为有机化学品的使用增加，未来可能会增加微污染物对地表水和饮用水的污染。在固定床过滤器中吸附到活性炭上是在从地表水源生产饮用水中去除微污染物的主要步骤之一。虽然活性炭对疏水性化合物的吸附性能好，但是对亲水性化合物的去除与高级氧化工艺相比，涉及吸附到活性炭上的技术具有成本效益，通常不会形成转化产物�；钚蕴课郊际醯娜钡惆ɑ钚蕴吭偕母吣芎暮突郝奈蕉ρ�。然而，使用活性炭吸附仍被认为是从废水和饮用水中去除微污染物的必要步骤。

　　在本研究中，我们评估了亲水微污染物对两种不同孔隙结构的活性炭的亲和力，并建立了基于孔扩散的理论模型来描述吸附动力学。吸附等温线和动力学实验用作模型的输入，以使用具有不同孔径的两个活性炭获得不同尺寸的多个为污染物的表观孔扩散系数。结果提供了微污染物和活性炭的哪些特征影响吸附速率的见解。

　　扩散模型

　　我们使用孔扩散模型来描述微污染物向活性炭内表面的质量传递。在我们的实验中研究的所有微污染物都是亲水的，其对活性炭的亲和力通常低于疏水性微污染物。因此，预期孔扩散是主要的质量传递机制。在该模型中，我们仅考虑孔隙扩散用于孔隙内的质量传递。在孔扩散模型中，假设活性炭颗粒是球形的，具有恒定直径和均匀分布的吸附位点。

　　活性炭材料准备和实验方法

　　使用两种不同孔隙的活性炭，使用椰壳和木质材料制成的活性炭经过氮吸附解吸等温线测量结构性质。再将活性炭过筛以获得直径在0.5mm和1mm之间的颗粒。筛分后，用软化水洗涤1小时，干燥并储存干燥。在实验之前，将活性炭在105℃下干燥备用，称重并在软化水中煮沸以除去夹带的空气。使用的多种微污染的混合物分别为脒基脲，六亚甲基四胺，碘帕醇，碘普罗胺，二甲双胍和吡唑等。

　　吸附等温线：进行吸附等温线以研究所选微污染物对两种类型活性炭的亲和力。所有微污染物对椰壳活性炭表现出更高的亲和力(图1)，对木质活性炭的亲和力一般。椰壳活性炭对某些微污染物的吸附容量可能高在我们的实验中获得的数据，因为施加的微污染物浓度太低而不能达到活性炭饱和。

　　图1：活性炭对几种亲水微污染物的吸附等温线。

　　微污染物在活性炭上的吸附动力学

　　在动力学吸附研究中，吸附速率与微污染物分子大小和活性炭孔径有关。我们观察到椰壳活性炭对小分子污染物在24小时内达到平衡，而对于大分子也能在24小时内达到平衡，然而木质活性炭则要120小时才能达到平衡。微污染物的分子越大活性炭的吸附速度越慢�；钚蕴康目桌┥⑾凳ü桌┥⒛Ｐ湍夂系降亩ρ堇椿竦�，对于这些亲水微污染物，椰壳活性炭的吸附速率高于木质活性炭(图2)，这是由于椰壳活性炭中存在中孔，对于除大分子之外的所有微污染物的效果都比较优秀。

　　图2：活性炭在动力学实验中负荷微污染物。

　　活性炭的孔扩散系数

　　活性炭中吸附质的孔扩散系数与吸附质水分扩散系数有关，其中活性炭的曲折因子是描述活性炭结构的参数，用于将孔中的吸附物扩散率与游离溶液中的扩散率联系起来。椰壳活性炭和木质活性炭曲折度是根据报道计算的d值和等式获得的。计算椰壳活性炭的曲折度值在3到5之间，木质活性炭的曲折度值约为8。由于曲折是活性炭的一个属性，它的值应该是不变的。然而，该参数是基于吸附物在活性炭表面上的吸附来确定的，因此吸附物和活性炭表面之间的相互作用可能会影响使用实验数据获得的值。曲折度值的变化也可以表明粒子内扩散不仅受孔扩散控制，而且表面扩散也可能在确定吸附速率中起作用。

　　研究了亲水微污染物与两种不同孔径活性炭的吸附速率和亲和力，确定了吸附速率限制步骤。结果如下：从饮用水中去除微污染物合适的活性炭的选择不仅应考虑对目标化合物的亲和力，还应考虑活性炭孔径。需要具有中孔的活性炭以防止缓慢的动力学降低固定床中活性炭过滤器的效率。对于大多数亲水微污染物，孔扩散系数与吸附质大小负相关，并且对于大分子的吸附物，这种相关性更强�；钚蕴康奈⒖鬃璋舜蠓肿拥睦┥�，导致曲折度值高于普遍活性炭的曲率。吸附亲和力涉及微污染物的分子结构，具有环状结构的微污染物比具有线性或球状结构的污染物更大程度地吸附到活性炭上。

文章标签：椰壳活性炭,果壳活性炭,煤质活性炭,木质活性炭,蜂窝活性炭,净水活性炭.

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