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(shí)驗(yàn)以評(píng)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(dòng)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(yàn)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(guò)動(dòng)物糞便和尿液釋放到環(huán)境中。這些磺胺或代謝物可能長(zhǎng)期存在于環(huán)境中，可通過(guò)農(nóng)場(chǎng)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(jiǎn)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(wú)機(jī)化合物和大多數(shù)有機(jī)污染物。但其在實(shí)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(jiǎn)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(jī)制尚不清楚，對(duì)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(jī)制的批量吸附實(shí)驗(yàn)?；前范奏?duì)活性炭和改性活性炭的吸附特性通過(guò)吸附動(dòng)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(diǎn)。由于改性，活性炭的微孔結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生較大的比表面積。在活化過(guò)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?jī)?nèi)孔，導(dǎo)致碳壁氧化和孔徑增加。活性炭中磺胺二甲啶的擴(kuò)散有利于粗糙的表面結(jié)構(gòu)和多孔特性?；钚蕴亢透男曰钚蕴縏EM圖像如圖1(c)和(d)所示。這些圖片表明活性炭是無(wú)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(diǎn)，進(jìn)一步表明表面積增加。活性炭和改性活性炭EDS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(méi)有活性炭和改性活性炭的明顯特征峰值，說(shuō)明它們是無(wú)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(gè)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(guò)程可分三個(gè)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(guò)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(gè)階段的擬合方程都沒(méi)有通過(guò)坐標(biāo)的原點(diǎn)，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(guò)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(jī)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(jī)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(diǎn)，表明孔結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá)，修改后可獲得更多的吸附點(diǎn)。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(guò)FTIR通過(guò)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(qiáng)了磺胺二甲啶與活性炭的表面相互作用，預(yù)計(jì)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。磺胺二甲嘧啶在改性活性炭上去除磺胺廢水中顯著增加，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(shí)間幾乎保持不變。磺胺二甲啶在原始和改性活性炭上的吸附動(dòng)力學(xué)分為快速和慢速吸附階段，磺胺二甲啶吸附在12小時(shí)內(nèi)快速完成。pH該值對(duì)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(jī)制。降低溫度促進(jìn)吸附反應(yīng)。pH該值對(duì)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。