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金屬吸附活性炭原理
發布時間：2023-02-13 瀏覽量：2292
金屬，特別是重金屬，是水體污染的主要元兇之一。已知大多數重金屬是致癌物質，由于其不可降解性、持久性和累積性，對人體構成嚴重威脅。工業廢物是天然水中各種金屬污染的主要來源。去除工業廢水中過量的重金屬是健康和環境安全的重要課題。許多方法已被證實能應用于水體中重金屬的消除，如化學沉淀、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、工作環境敏感和易產生有毒泥漿等。因此，迫切需要更多實用性環保技術的開發。吸附技術具有高效性、經濟性和選擇性，對水體金屬去除表現出良好的應用前景。用于水體中金屬吸附的材料種類繁多，主要包括傳統吸附劑(活性炭、沸石、黏土、生物吸附劑和工業副產品)和新型納米吸附劑(富勒烯，碳納米管，石墨烯)。具有多孔結構的吸附劑，因其具有大比表面積、高的孔容和豐富的孔道結構，對金屬吸附具有優異的吸附性能。
活性炭具有發達的多孔結構( 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，發現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，發現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。當 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pH值在3~6之間，去除率達 97.48%~ 99.68%。利用硝酸和氫氧化鈉處理活性炭纖維，能夠對材料表面有效改性，從而促進對金屬吸附性能的提高。研究發現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有關。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。活性炭的表面電荷在所有測試的 pH值范圍(pH值=2~6)內都是負的。這些結果表明，用陰離子表面活性劑進行表面改性可以顯著增強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、優異的吸附性能、無毒性以及大的離子交換潛力，較許多商業吸附劑表現出一定的優勢。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注。大部分黏土礦物帶負電荷，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。近年來科學家進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+，發現其對 Pb2+ 的吸附隨著溶液 pH值的增加而增加，在中性 pH (7.0)附近達到最大值，隨著堿性增強，一些Pb2+開始沉淀。結果還證實陽離子交換是酸活化黏土吸附 Pb2+ 的主要機制。用金屬鹽(FeCl3、AICl3、CaCl3、MgCl3和MnCl3)對Akadama黏土進行功能化，用于去除水溶液中 Cr6+。發現 FeCl3功能化的黏土表現出最好的吸附性能，在 pH值區間為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，一些研究報道發現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用前景。
盡管活性炭和黏土有著自身應用的優勢，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來改善其對目標金屬的親和力，因而在吸附水體中金屬的應用中表現出獨特的優勢。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現胺化的 SBA-15對 Cu 具有優異的吸附能力，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，發現其對 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離子到達氨丙基接枝二氧化硅的活性位點的速度時，發現金屬離子的尺寸和電荷是影響吸附速率的動力學因素。計算 Cu2+ 和H2+擴散系數時發現 Cu2+ 擴散系數是 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孔徑為4~ 15 nm 和有機負載為1.4~ 1.9 mmol/的氨丙基接枝二氧化硅的活性位點的速率，發現均勻溶液中的擴散過程取決于許多參數，如吸附劑孔徑、金屬離子尺寸、官能團表面密度以及二氧化硅的結構。不同于無序孔結構，有序介孔材料可以有效避免在接枝過程中導致的孔隙堵塞。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，發現使用平均孔徑為 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合膜材料的一部分對 Cu2+ 表現出高的去除效率，單分子層石墨烯對 Cu2+的吸附容量達 14.6 mmol/g，并且發現富勒烯上 Cu2+ 的吸附平衡等溫線符合Langmuir模型。良好的化學穩定性、大的比表面積(150~1500 m2/g，遠高于富勒烯)和可用的發達中孔結構，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生的氧官能團可以與 Pb2+ 反應形成復合物或鹽沉淀物。需要指出的是，酸化的碳納米管在 pH 值為 2.0 時，20 min 即可達到吸附平衡，遠遠低于活性炭的 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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