活性炭改性后處理磺胺廢水

　　磺胺廢水經(jīng)活性炭改性后處理，活性炭經(jīng)氯化鐵改性。并進(jìn)行批量實驗以評估廢水中的磺胺二甲嘧啶吸附到活性炭和改性活性炭上的平衡，分別分析動力學(xué)和熱力學(xué)特征。結(jié)果表明，氯化鐵處理后，活性炭改變了表面積、孔隙體積和表面zeta電位還增加了表面含氧官能團(tuán)的數(shù)量。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，磺胺二甲啶在改性活性炭上的吸附得到了顯著改善。

　　磺胺二甲啶是一種新型污染物，主要用于治療各種細(xì)菌感染引起的疾病。大多數(shù)磺胺二甲嘧啶以磺胺或代謝物的形式通過動物糞便和尿液釋放到環(huán)境中。這些磺胺或代謝物可能長期存在于環(huán)境中，可通過農(nóng)場徑流和城市污水處理廠進(jìn)入土壤、地表水、地下水甚至飲用水。傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)只能去除廢水中的一些抗生素。這促使研究人員開發(fā)簡單高效的新技術(shù)，有效處理磺胺廢水。由于比表面積大，孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，活性炭能有效去除顏色、氣味、無機化合物和大多數(shù)有機污染物。但其在實際應(yīng)用中的使用受其吸附效率和成本低的限制。金屬離子改性后的活性炭生產(chǎn)簡單便宜，能顯著提高活性炭的吸附性能。然而，活性炭中磺胺類廢水的吸附機制尚不清楚，對磺胺類的吸附能力及其理化性質(zhì)知之甚少。本研究采用鐵離子改性活性炭。用于探索吸附機制的批量吸附實驗?；前范奏钚蕴亢透男曰钚蕴康奈教匦酝ㄟ^吸附動力學(xué)、吸附熱力學(xué)和吸附等溫線進(jìn)行了研究，為去除廢水中的磺胺污染物提供了科學(xué)依據(jù)。

　　活性炭改性后的特性

　　活性炭和改性活性炭的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)差異很大。鐵離子改性后，活性炭的表面積、總孔容量、微孔體積和中孔體積都有一定程度的增加，可以為磺胺二甲啶提供更多的吸附點。由于改性，活性炭的微孔結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生較大的比表面積。在活化過程中，鐵離子主要沉積在介孔中，擴(kuò)大孔徑并進(jìn)入微孔。將金屬鹽釋放的氧化氣體引入微孔，并與微孔碳壁反應(yīng)?；钚蕴亢透男曰钚蕴縎EM圖1顯示圖像(a)和(b)中。活性炭的形狀表明具有規(guī)則孔結(jié)構(gòu)的光滑表面。與活性炭相比，改性活性炭表面粗糙不規(guī)則?？紫督Y(jié)構(gòu)受損，孔隙率增加。這可能是由于鐵離子引入活性炭內(nèi)孔，導(dǎo)致碳壁氧化和孔徑增加?；钚蕴恐谢前范奏さ臄U(kuò)散有利于粗糙的表面結(jié)構(gòu)和多孔特性。活性炭和改性活性炭TEM圖像如圖1(c)和(d)所示。這些圖片表明活性炭是無定形的。與活性炭相比，改性活性炭表現(xiàn)出許多孔隙和透明點，進(jìn)一步表明表面積增加?；钚蕴亢透男曰钚蕴縀DS圖像如圖1(e)和(f)所示。與活性炭相比，改性活性炭的元素O和Fe含量顯著增加，C活性炭上鐵離子負(fù)荷的含量降低。此外，進(jìn)一步證明表面含氧量增加，有利于磺胺二甲啶的吸附?；钚蕴亢透男曰钚蕴縓RD圖如圖1(g)和(h)所示。而且沒有活性炭和改性活性炭的明顯特征峰值，說明它們是無形的。這與TEM照片結(jié)果一致。

　　兩種吸附劑的代表性SEM，TEM和EDS圖像。(a)活性炭的SEM(比例尺為2μm)，(b)活性炭的TEM(比例尺為100nm)，(c)活性炭的EDS，(d)改性活性炭SEM(比例尺為2μm)，(e)改性活性炭TEM(比例尺為100nm)，(f)改性活性炭EDS，(g)活性炭的XRD，(h)改性活性炭XRD。

　　活性炭吸附磺胺的三個階段

　　活性炭和改性活性炭和改性活性炭上的吸附和擴(kuò)散過程可分三個階段描述，如圖2所示。由于**階段吸附在活性炭表面，吸附率*初很高。然后，在顆粒內(nèi)快速擴(kuò)散的過程中，磺胺二甲啶逐漸吸附在活性炭上，吸附率常數(shù)逐漸降低。在第三階段，邊界層和傳質(zhì)阻力的影響增加，導(dǎo)致顆粒擴(kuò)散減慢。所有三個階段的擬合方程都沒有通過坐標(biāo)的原點，這表明顆粒的擴(kuò)散并不是控制吸附率的**步驟。因此，吸附過程也受膜擴(kuò)散和表面吸附的影響。

　　磺胺二甲啶在活性炭上吸附的顆粒中擴(kuò)散。

　　改性活性炭的表面顯示出許多孔隙和透明度，大量含氧官能團(tuán)被改性，導(dǎo)致磺胺二甲啶吸附機制的變化。根據(jù)本研究的相關(guān)研究結(jié)果，活性炭表面磺胺二甲啶的吸附機制總結(jié)如下（圖3）：

　　1.微孔捕獲

　　SEM圖像顯示，活性炭的規(guī)則孔結(jié)構(gòu)受損，孔隙率增加。TEM圖像顯示，改性活性炭表面含有許多透明點，表明孔結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá)，修改后可獲得更多的吸附點。這有利于磺胺二甲啶吸附到黑碳分子層的孔中。此外，經(jīng)鐵離子改性后，活性炭的表面積、總孔容量、微孔體積和中孔體積都有一定程度的增加。

　　2.氫鍵相互作用

　　通過FTIR通過促進(jìn)改性活性炭表面與磺胺二甲啶之間氫鍵的相互作用，促進(jìn)磺胺二甲啶的吸附。從數(shù)據(jù)圖中發(fā)現(xiàn)，3400和2850cm-1處寬吸收峰表明改性活性炭表面存在-OH。這些分子間氫鍵增強了磺胺二甲啶與活性炭的表面相互作用，預(yù)計將有助于活性炭與異磺胺二甲啶之間的親和力吸附。

　　3.π-π電子供體-受體(EDA)相互作用。

　　磺胺二甲啶與改性活性炭合理相互作用的示意圖。1.微孔捕獲。2.氫鍵相互作用。.π-πEDA相互作用。4.靜電相互作用。5.配位相互作用。

　　鐵離子改性后，活性炭活性炭的表面積、總孔容量、微孔體積和中孔體積。含氧加了活性炭表面含氧官能團(tuán)的數(shù)量，可以大大提高吸附能力?；前范奏奏ぴ诟男曰钚蕴可先コ前窂U水中顯著增加，并在25℃下磺胺二甲嘧啶在改性活性炭上的*大吸附量為17.261mg/g。然而，吸附平衡時間幾乎保持不變?；前范奏ぴ谠己透男曰钚蕴可系奈絼恿W(xué)分為快速和慢速吸附階段，磺胺二甲啶吸附在12小時內(nèi)快速完成。pH該值對磺胺二甲啶的吸附有顯著影響。當(dāng)pH磺胺二甲啶的吸附量在3-10之間增加，然后減少。微孔捕獲，靜電相互作用，氫鍵相互作用，π-πEDA相互作用和配位相互作用是吸附的可能機制。降低溫度促進(jìn)吸附反應(yīng)。pH該值對磺胺二甲啶的吸附有顯著影響。當(dāng)pH磺胺二甲啶的吸附量在3-10之間增加，然后減少。