活性炭吸附降低海水中硫酸根離子

　　沿海地區(qū)海水豐富，海鹽生產(chǎn)具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，如果雜質(zhì)處理得不好，會(huì)影響海鹽的質(zhì)量。海鹽中常見(jiàn)雜質(zhì)如CaSO4、MgCl2和MgSO4。這些雜質(zhì)源自海水中存在的各種離子，包括氯化物、鈉、硫酸鹽、鎂、鈣和鉀。此外，鹽中存在的雜質(zhì)會(huì)促進(jìn)水分吸收，并降低其咸味，可能導(dǎo)致食鹽消耗量增加。本研究的目的是研究利用酸洗劑來(lái)提高椰殼活性炭的性能，以降低海水中硫酸根離子的含量。作為海鹽生產(chǎn)原料的海水含有較高含量的硫酸根離子雜質(zhì)。從海水中去除硫酸根離子對(duì)于最大限度地減少海鹽結(jié)晶過(guò)程中的雜質(zhì)至關(guān)重要。該研究使用了兩種類(lèi)型的活性炭：未經(jīng)進(jìn)一步處理的活性炭和酸洗活性炭。

　　吸附海水中的硫酸根離子

　　實(shí)驗(yàn)中獲得的吸附結(jié)果在圖1描述。當(dāng)不添加酸洗劑時(shí)，兩種活性炭在用量為40mg時(shí)都表現(xiàn)出相對(duì)較低的硫酸根離子吸附量。將活性炭用量增加至50mg導(dǎo)致活性炭的硫酸鹽吸附增加，而酸洗活性炭的硫酸鹽吸附減少。然而，當(dāng)用量進(jìn)一步增加至60mg時(shí)，兩種活性炭類(lèi)型的硫酸根離子吸附均未觀察到顯著變化。海水中存在多種離子，為硫酸根離子在活性炭上的吸附創(chuàng)造了競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。海水中鈉、氯、鎂等離子濃度較高促進(jìn)了吸附位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)，從而限制了硫酸根離子的吸附。此外，海水相對(duì)較高的pH值也可能影響吸附過(guò)程。眾所周知，在較高的pH值下，活性炭往往對(duì)陽(yáng)離子而不是陰離子表現(xiàn)出更好的吸附作用。這些因素可能導(dǎo)致在沒(méi)有酸洗的情況下觀察到的吸附量相對(duì)較低。

　　圖1：添加酸洗劑的活性炭用量為40、50和60mg時(shí)的硫酸根離子吸附能力。

　　活性炭的物理特性

　　活性炭的物理性質(zhì)、比表面積和孔徑?jīng)Q定了活性炭的吸附能力�；钚蕴康男螒B(tài)受到碳材料活化方法的影響。本實(shí)驗(yàn)中使用的碳是通過(guò)蒸汽法活化的。該方法形成孔并引入含氧官能團(tuán)。酸洗活性炭具有經(jīng)過(guò)酸洗處理的活性炭。該處理降低了灰分含量，降低了pH值，并改善了活性炭的親水表面。酸洗活性炭的pH值低于活性炭。因此，可以預(yù)測(cè)活性炭的堿度高于酸洗活性炭。活性炭的灰分含量高于酸洗活性炭。從圖2可以看出，酸洗后看起來(lái)比活性炭干凈，因?yàn)闊o(wú)機(jī)雜質(zhì)減少了。盡管有跡象表明灰分含量會(huì)影響碳?jí)A度，但尚不清楚灰分含量對(duì)吸附能力有何影響。

　　圖2：SEM顯微照片(A)酸洗活性炭(B)活性炭。

　　活性炭的基本功能

　　從水溶液(例如海水)中吸附離子依賴(lài)于吸附物(離子)和吸附劑(活性炭)之間的靜電相互作用。這種相互作用受到碳材料表面功能的影響。具體而言，在陰離子吸附(例如硫酸根離子)的情況下，堿性碳表面位點(diǎn)的存在起著至關(guān)重要的作用�；钚蕴可系倪@些堿性位點(diǎn)與芳香碳環(huán)的共振π電子相關(guān)，該電子對(duì)質(zhì)子具有親和力。活性炭的基本表面官能團(tuán)包括具有基本特征的含氧基團(tuán)，例如色烯結(jié)構(gòu)、二酮或醌基團(tuán)以及類(lèi)吡喃酮基團(tuán)。此外，含氮官能團(tuán)還可以增強(qiáng)活性炭的堿性。

　　酸洗對(duì)活性炭吸附硫酸根離子的作用

　　盡管酸洗活性炭的表面特征表明其在孔體積和官能團(tuán)方面具有優(yōu)越性，但未經(jīng)進(jìn)一步處理的活性炭的吸附容量高于酸洗活性炭。這一觀察結(jié)果可以通過(guò)將硬酸和軟酸和堿概念應(yīng)用于活性炭來(lái)解釋?zhuān)�海水中發(fā)現(xiàn)的主要離子由硬酸和硬堿組成，它們與活性炭表面存在的官能團(tuán)的相互作用可以使用這個(gè)概念來(lái)解釋。當(dāng)海水與活性炭混合時(shí)，碳表面的官能團(tuán)發(fā)生電離。位于碳基面邊緣或末端的基本官能團(tuán)表現(xiàn)出高反應(yīng)性并最初與硫酸根離子相互作用。然而，在正常pH條件下，酸洗活性炭和活性炭中硫酸根離子的吸附量都很小。這可能是由于硫酸根離子與共存陰離子(例如氯離子、磷酸根和硝酸根)之間競(jìng)爭(zhēng)吸附在活性炭的官能團(tuán)上。增加活性炭的用量會(huì)在溶液中引入更多的官能團(tuán)，但盡管酸洗活性炭具有更多的堿性官能團(tuán)，但與活性炭相比，酸洗活性炭的硫酸鹽吸附量較低。

　　研究的強(qiáng)度和局限性

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，未經(jīng)額外處理的活性炭在硫酸根離子吸附方面優(yōu)于酸洗活性炭。此外，由于需要額外的酸洗過(guò)程，酸洗活性炭的成本較高。然而，應(yīng)該指出的是，活性炭中的吸附率隨著酸洗劑濃度的增加而實(shí)現(xiàn)。因此，在優(yōu)化活性炭類(lèi)型、用量和酸洗劑濃度的組合時(shí)，有必要考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面，因?yàn)槟壳暗难芯坎⑽纯紤]這一方面。盡管存在這種限制，但考慮到活性炭的承受能力，這種方法可以作為凈化海鹽的可行替代方案。

　　活性炭吸附降低海水中硫酸根離子的研究表明，添加酸洗劑可以增強(qiáng)椰殼活性炭對(duì)海水中硫酸根離子的吸附能力。在研究中使用的兩種活性炭中，與酸洗活性炭相比，未經(jīng)處理的活性炭表現(xiàn)出更高的硫酸根離子去除能力。酸洗劑在增加溶液中水合氫離子的濃度方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。硫酸根離子的吸附首先發(fā)生在堿性官能團(tuán)處，隨后通過(guò)水合氫離子的存在而發(fā)生在碳基面上�；钚蕴吭谔蓟�面上比酸洗活性炭擁有更多的堿性位點(diǎn)，這使得活性炭在吸引水合氫離子以結(jié)合海水中的硫酸根離子方面具有優(yōu)異的性能。

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