活性炭吸附去除柱狀藻紅

　　氣候變化和水生環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可用性的增加增加了藍(lán)藻水華的發(fā)生，藍(lán)藻水華可以產(chǎn)生藍(lán)藻毒素，如圓柱藻蛋白酶等危害水環(huán)境。多項(xiàng)研究表明，活性炭吸附可有效去除溶解的藍(lán)藻毒素，而不會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物。根據(jù)構(gòu)成碳的顆粒的大小，這種吸附劑有粉狀和顆粒狀兩種形式。一般來(lái)說(shuō)，使用粉狀活性炭投放比較方便，但是重復(fù)利用性不太好。與顆粒活性炭相比，它可以再生經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)。

　　活性炭特性及吸附平衡試驗(yàn)

　　活性炭的BET表面積和微孔和中孔的體積使用在-196℃下的氮吸附等溫線測(cè)定。一旦獲得吸附等溫線，通過(guò)應(yīng)用Brunauer-Emmett-Teller和Dubinin-Radushkevich方程確定微孔的表面積和體積。認(rèn)為碳樣品的微孔和中孔體積之和對(duì)應(yīng)于在0.95(V0.95)的相對(duì)壓力下吸附的液氮體積。因此，通過(guò)從V0.9中減去微孔的體積來(lái)獲得中孔的體積。進(jìn)行吸附平衡測(cè)試以確定每種碳的平衡時(shí)間。在其程序中，該標(biāo)準(zhǔn)表明碳與含有污染物的溶液之間的接觸時(shí)間為兩小時(shí)，考慮到該時(shí)間足以穩(wěn)定吸附過(guò)程的平衡。但是，該標(biāo)準(zhǔn)表明需要進(jìn)行研究以驗(yàn)證該時(shí)間是否足以達(dá)到平衡條件。因此，在吸附平衡測(cè)定之前，進(jìn)行了測(cè)試以確定達(dá)到吸附過(guò)程平衡所需的時(shí)間。

　　對(duì)于吸附測(cè)試，用每種活性炭制備懸浮液。為了制備懸浮液，將活性炭置于接地狀態(tài)，直到95%的碳樣品質(zhì)量通過(guò)325目(0.044毫米)的篩子;然后將粒度降低的碳在烘箱中在150℃下干燥3小時(shí)。之后，將碳儲(chǔ)存在干燥器中冷卻至室溫。將干燥的碳稱(chēng)重，并通過(guò)添加不含CO2的超純水制備懸浮液。在600mmHg的負(fù)壓下，懸浮液在真空干燥器中再保持12小時(shí)，以消除活性炭間隙中存在的空氣。

　　測(cè)定平衡時(shí)間的吸附試驗(yàn)對(duì)每種活性炭進(jìn)行兩次。使用了7個(gè)裝有500mL研究水的1L燒杯。每個(gè)燒杯接受一份活性炭懸浮液，以在水研究中獲得80mg/L的初始濃度。將燒杯放在一個(gè)罐子測(cè)試設(shè)備中，將混合速度保持在205rpm在恒溫23℃的環(huán)境中。采用的接觸時(shí)間為0.5、1、2、3、6、12和24小時(shí)。接觸時(shí)間后，將每個(gè)燒杯從攪拌中取出，立即通過(guò)孔徑為0.22μm的纖維素酯膜過(guò)濾研究水，以分離碳并中斷吸附過(guò)程。分析過(guò)濾后的水餾分的pH值和柱狀藻紅濃度。圖1顯示了平衡時(shí)間測(cè)定分析中評(píng)估的條件的示意圖。

　　圖1：平衡時(shí)間測(cè)試示意圖。

　　模擬吸附過(guò)程

　　在第一實(shí)驗(yàn)階段獲得的吸附平衡測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)適合等溫線模型Langmuir、Freundlich和Redlich-Peterson。將最適合吸附平衡數(shù)據(jù)的等溫線模型的參數(shù)值應(yīng)用于HSDM模型，以模擬SBA柱中的吸附過(guò)程。該模型考慮了發(fā)生在兩個(gè)連續(xù)擴(kuò)散步驟中的吸附過(guò)程，即：通過(guò)活性炭顆粒周?chē)�的固定流體層擴(kuò)散(膜擴(kuò)散)和通過(guò)活性炭?jī)?nèi)部孔的擴(kuò)散(表面擴(kuò)散)，如圖2所示。

　　圖2：活性炭顆粒中的傳質(zhì)-吸附過(guò)程示意圖。

　　吸附平衡測(cè)定

　　在所研究的濃度范圍內(nèi)，活性炭顯示出更高百分比的柱狀藻紅去除率。較高的柱狀藻紅吸附能力可能與較高體積的活性炭中孔有關(guān)，這可能有利于柱狀藻紅分子的保留。基于柱狀藻紅的分子尺寸，0.911×1.174×1.218，具有更高體積中孔(直徑在2和50nm之間)的活性炭結(jié)構(gòu)特征似乎更適合柱狀藻紅分子的吸附。吸附平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合Freundlich、Langmuir和Redlich-Peterson等溫線模型。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的調(diào)整通過(guò)線性和非線性回歸進(jìn)行，除了Redlich-Peterson模型，由于該模型具有三個(gè)參數(shù)，因此僅通過(guò)非線性回歸完成調(diào)整。圖3顯示了柱狀藻紅去除百分比作為木質(zhì)活性炭和煤質(zhì)活性炭濃度的函數(shù)。

　　圖3：柱狀藻紅去除量與水基質(zhì)中應(yīng)用活性炭濃度的函數(shù)關(guān)系。

　　活性炭吸附去除柱狀藻紅的研究中，研究了兩種活性炭，在工作臺(tái)規(guī)模上研究了它們對(duì)圓柱藻蛋白酶的吸附能力，旨在將其以顆粒形式應(yīng)用于固定床吸附塔。碳的結(jié)構(gòu)表征指出，木質(zhì)活性炭比煤質(zhì)的更富含中孔，具有更多的微孔結(jié)構(gòu)與更大的比表面積。吸附等溫線顯示，木質(zhì)活性炭比煤質(zhì)表現(xiàn)出更高的柱孢霉吸附容量。另一方面，Langmuir模型更好地代表了木質(zhì)活性炭對(duì)藍(lán)藻毒素的吸附。但是還需要評(píng)估不同濃度的柱狀藻紅和有機(jī)物對(duì)圓柱藻蛋白酶突破曲線的影響，因?yàn)樗鼈兊乃�平在水生環(huán)境中往往變化很大。

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