活性炭吸附去除水中的病毒

　　活性炭因其表面積大，孔隙率高和吸附能力大而被公認(rèn)為是一種有效吸附劑。因此，它們已廣泛用于水凈化中，以去除有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物。此外，已經(jīng)測(cè)試了多種吸附劑(例如顆�；钚蕴亢头勰┗钚蕴�)的病毒去除能力，因?yàn)椴《撅@示出與各種表面材料的吸附性相互作用。但是，發(fā)現(xiàn)這些活性炭吸附劑的病毒清除能力較低。所以，我們研發(fā)了超能粉狀活性炭可以改善病毒去除效果。

　　活性炭上帶負(fù)電荷的羧基或內(nèi)酯基與病毒上的氨基之間的靜電相互作用在病毒去除中起重要作用。本次主要是評(píng)估活性炭去除病毒的性能，并研究孔徑分布對(duì)病毒去除的影響。使用MS2噬菌體(MS2)作為模型病毒，進(jìn)行了批處理實(shí)驗(yàn)，比較了不同活性炭對(duì)病毒的去除效果。MS2包含單鏈RNA，并具有二十面體形狀。MS2具有與病原病毒相似的特性，因此已在水處理和消毒研究中廣泛用作替代病毒。

　　活性炭批量去除病毒實(shí)驗(yàn)

　　測(cè)試了八種多活性炭吸附劑，包括三個(gè)測(cè)試用活性炭和五種商用活性炭。分批實(shí)驗(yàn)使用100mL玻璃錐形瓶制備。使用通用測(cè)試水在批處理實(shí)驗(yàn)中測(cè)試病毒的去除。制備的水質(zhì)參數(shù)如下：溫度：20–25°C，pH：7.0–7.6，總有機(jī)碳(TOC)：1.0mg/L，電導(dǎo)率(EC)：17.4–19.2mS/m和堿度：90–110mgCaCO3/L，2M的鹽酸和單寧酸制成的去離子水。首先將摻有病毒儲(chǔ)備溶液和制備的水充分混合。然后，分別添加1g活性炭，并使用磁力攪拌器以400rpm的速度連續(xù)混合懸浮液。

　　幾種吸附劑的表征

　　我們測(cè)試了八種活性炭吸附劑的特性。所有吸附劑的粒徑都比較相似，從0.23毫米到0.5毫米不等。測(cè)試用活性炭的BET表面積略小于高品質(zhì)商用的BET表面積。放大200k時(shí)活性炭表面的SEM圖像如圖1所示。所有測(cè)試只能活性炭在pH值為6.0至7.1時(shí)都帶有負(fù)電荷。測(cè)試用活性炭zeta電位無(wú)明顯差異(范圍從−13至−34mV)和活性炭(范圍從−6.3至−43mV)。

　　圖1：放大200k時(shí)，不同的活性炭的SEM圖像。

　　活性炭吸附劑之間的孔徑分布的差異可能是由原材料來(lái)源引起的。實(shí)際上，測(cè)試用活性炭是由農(nóng)作物纖維素制成的，而商用活性炭是由椰殼和木材制成的。這些原材料可能包含不同含量的碳以及無(wú)機(jī)和揮發(fā)性化合物，因此可能會(huì)影響其孔徑分布。更重要的是，這些材料的生產(chǎn)過(guò)程也可能會(huì)影響其結(jié)構(gòu)。對(duì)于測(cè)試用活性炭，去除二氧化硅后，b-c用蒸汽活化處理，而A未處理。因此，很可能在B和C中大比例的大孔徑是由蒸汽活化過(guò)程產(chǎn)生/增強(qiáng)的。此外，與B相比，C還用鹽酸處理過(guò)。對(duì)于活性炭，是經(jīng)過(guò)特定程序進(jìn)行炭化活化后的高指標(biāo)炭。

　　活性炭吸附劑去除病毒

　　通過(guò)不同的活性炭去除病毒的過(guò)程在圖2顯示。隨著接觸時(shí)間從0分鐘增加到60分鐘，測(cè)試用活性炭A，活性炭A，B，C并未顯示病毒清除，而測(cè)試用活性炭B，C，活性炭D則觀察到病毒去除率增加。在接觸時(shí)間為60分鐘時(shí)，這些發(fā)現(xiàn)表明，測(cè)試用活性炭-C比其他活性炭吸附劑能夠更好地清除病毒。

　　圖2：在不同的接觸時(shí)間(0、20、40和60分鐘)，測(cè)試用(a)和活性炭(b)去除MS2。

　　由于每單位重量材料的面積更大，因此預(yù)期使用較細(xì)的活性炭的吸附能力會(huì)更高。但是，從多孔碳材料中觀察到了明顯的病毒去除差異，其粒徑范圍(0.23-0.50mm)與病毒大小相似。此外，盡管測(cè)試用活性炭比活性炭具有更少的BET表面積和更低的技術(shù)參數(shù)，但它們實(shí)現(xiàn)了更高的病毒清除效率。這些結(jié)果表明，活性炭吸附劑的粒徑和BET表面積可能不是影響病毒去除效率的主要因素。

　　與以前的研究相比，當(dāng)前研究中的測(cè)試用活性炭的性能可能更有效，因?yàn)樗鼈兛梢栽诟�短的接觸時(shí)間(60分鐘)內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的病毒清除率。此外，當(dāng)前研究中有機(jī)化合物的存在可能降低了測(cè)試用活性炭的病毒去除效率。在以前的研究中使用的水中，測(cè)試用活性炭效果比較好。但是，應(yīng)該注意的是，當(dāng)前研究中使用的吸附用量也高于先前研究中的用量。因此，需要進(jìn)行更多的研究來(lái)比較不同吸附劑在相同實(shí)驗(yàn)條件下去除病毒的效率。

　　活性炭去除病毒的性能可能會(huì)受到其孔徑分布的影響。比微孔(<2nm)和中孔(2–50nm)大的孔比病毒(特別是200–4500nm)大，更有助于去除MS2。在所測(cè)試的吸附劑中，改良活性炭C具有更大的200-4500nm孔體積，能夠比其他吸附劑更好地去除MS2。改良活性炭中很大比例的大孔可能是由原材料在生產(chǎn)過(guò)程造成的，該過(guò)程采用了去除二氧化硅，蒸汽活化和酸洗的方法。因此，改良活性炭在水凈化過(guò)程中顯示出是一種用于水凈化過(guò)程中去除病毒的潛力吸附劑。

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