活性炭改性后高效去除廢水中的鎳

　　鎳(Ni)是一種有害重金屬，存在于塑料電鍍、選礦、皮革鞣制、油漆和電池生產(chǎn)、金屬表面處理以及搪瓷行業(yè)等各個(gè)行業(yè)的廢水中。本期使用硫酸銅-氨絡(luò)合物一水合硫酸四氨銅(II)([Cu(NH3)4]SO4·H2O)作為改性劑處理活性炭。研究并比較改性活性炭與活性炭對廢水中的鎳處理的效果。

　　活性炭特性檢測方法

　　活性炭和改性活性炭的孔結(jié)構(gòu)和表面積均通過表面積分析儀進(jìn)行吸附/解吸評估。使用元素分析儀分析元素組成(C、O、N、H等)。衍射儀評估結(jié)晶度。使用傅里葉變換紅外光譜在400cm-1至4000cm-1范圍內(nèi)采用KBr顆粒法分析活性炭的表面化學(xué)官能團(tuán)。通過射線光電子能譜儀使用MgKα輻射分析活性炭的C、O態(tài)和Ni(II)吸附態(tài)，光譜歸一化為C1s，284.60ev。使用Boehm滴定法定量酸性和堿性官能團(tuán)，并通過pH漂移法測定零電荷點(diǎn)(pHPZC)。

　　批量吸附實(shí)驗(yàn)

　　批量實(shí)驗(yàn)探討了初始濃度(20–100mg/L)、接觸時(shí)間(0–720分鐘)、pH值(2.5–8)和離子強(qiáng)度(0–500mM)對Ni(II)吸附的影響氯化鈉)。將指定量的活性炭加入到150mL密封錐形燒瓶內(nèi)的50mL/Ni(II)溶液中，并在控溫?fù)u床中以200rpm和25℃攪拌。48小時(shí)平衡吸附后，使用0.45μm濾膜過濾樣品。通過PQ9000電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對吸附前后Ni(II)的濃度進(jìn)行定量。通過將活性炭(0.6g/L)與30mg/LNi(II)溶液混合，然后取樣、過濾、和測量。

　　活性炭的理化性質(zhì)

　　Ni(II)的吸附效率直接受到吸附劑的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的影響�；钚蕴亢透男曰钚蕴烤�表現(xiàn)出顯著的孔結(jié)構(gòu)特征(圖1a)。根據(jù)N2吸附/解吸等溫線，活性炭的分類屬于IV類，表明其具有介孔結(jié)構(gòu)，孔徑范圍約為2nm至20nm。然而，孔徑為2~5nm的[Cu(NH3)4]-改性活性炭的結(jié)構(gòu)屬于I型等溫線，通常用于描述微孔吸附劑上的吸附。類似地，活性炭表面的空心結(jié)構(gòu)減少，轉(zhuǎn)變成更小的結(jié)構(gòu)�？紫督Y(jié)構(gòu)。與改性活性炭相比，活性炭具有更大的比表面積和總孔體積。改性后活性炭炭的孔體積和孔徑分別降低了3.63%和5.37%。改性后孔徑、比表面積和孔體積的減小可歸因于改性過程中[Cu(NH3)4]SO4與活性炭表面分子的相互作用，導(dǎo)致孔堵塞。

　　圖1：活性炭和改性活性炭的表征：(a)孔徑分布和氮?dú)馕��?解吸等溫線;(b)通過Boehm滴定進(jìn)行表面官能團(tuán)分析;(c)Ni(II)吸附前后的FTIR光譜。

　　進(jìn)行元素分析以確定改性前后元素組成的變化。對于活性炭，發(fā)現(xiàn)元素組成為63.08%C、33.23%O、2.43%H和1.08%N，而對于改性活性炭，相同元素的百分比為52.32%C、43.19%O、2.24%H和2.10%N分別。(改性過程使C含量降低了10.76%，這是由于相對氧和氮含量的增加造成的。改性活性炭的O/C比(0.83)遠(yuǎn)高于活性炭的O/C比(0.53)，這表明改性增加了[Cu(NH3)4表面的氧負(fù)載量。富氧官能團(tuán)可改善重金屬吸附并增強(qiáng)活性炭的親水性。用于改性的[Cu(NH3)4]SO4在熱解過程中會(huì)產(chǎn)生NH3。改性后相對氮含量由1.08%提高到2.10%。氮官能團(tuán)還提高了活性炭的親水性和吸附能力。

　　吸附機(jī)制

　　根據(jù)前面的表征和批量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了多種吸附機(jī)制，包括表面絡(luò)合、陽離子交換和靜電相互作用。與含氧和含氮官能團(tuán)的絡(luò)合了解氧和氮官能團(tuán)對Ni(II)吸附的關(guān)鍵影響，我們使用FTIR分析了活性炭和改性活性炭表面官能團(tuán)吸附前后的變化。活性炭和改性活性炭吸附前后的XPS調(diào)查光譜表明C和O的顯著存在。具體而言，對于O1s光譜，-C-OH和-C-OH的比例改性后的-COOH官能團(tuán)分別從30.97%增加到51.27%和從17.24%增加到21.31%，與滴定結(jié)果一致。Ni(II)吸附后改性活性炭中-C=O和-COOH的分?jǐn)?shù)從27.42%減少到19.35%，從21.31%減少到7.16%，分別。這種減少表明這些官能團(tuán)與Ni(II)形成絡(luò)合物，從而增強(qiáng)了吸附能力(圖2)。同時(shí)改性活性炭的O1s結(jié)合能(BE)略有降低，表明氧原子在吸附過程中作為電子供體的作用。

　　圖2：Ni(II)在活性炭上的吸附機(jī)理。

　　活性炭改性后高效去除廢水中的鎳，用了一種新的改性方法來制備活性炭。改性劑為硫酸四氨合銅(II)一水合物([Cu(NH3)4]SO4·H2O)。活性炭通過吸附有效去除水中的Ni(II)。與未改性的活性炭相比，活性炭的改性導(dǎo)致比表面積和總孔體積降低，而改性導(dǎo)致比表面積和總孔體積增加氧和氮的存在，表明含O和含N官能團(tuán)的結(jié)合。改性活性炭相對于活性炭表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附能力。值得注意的是，改性活性炭表現(xiàn)出強(qiáng)大的緩沖能力和對pH變化的適應(yīng)性。Ni(II)在活性炭上的吸附機(jī)制包括表面絡(luò)合、陽離子交換和靜電相互作用。本研究概述了一種經(jīng)濟(jì)有效的方法來制備用于吸附廢水中Ni(II)的活性炭，并闡明了潛在的吸附機(jī)制。

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