活性炭用來地下水除氟

　　氟離子(F-)被認(rèn)為是在水和地下水中發(fā)現(xiàn)的非常危險(xiǎn)的元素之一。氟離子污染通常來自螢石、冰晶石和氟磷灰石等礦物和巖石資源的不斷浸出。1此外，半導(dǎo)體和化肥制造廠、制藥公司、鈹提取廠、鋁冶煉廠和采礦業(yè)等多個(gè)行業(yè)在其工藝過程中使用氟化物，并在天然水中釋放氟離子。為了解決這些問題，我們使用活性炭來限制水中氟化物的濃度，本研究報(bào)告了活性炭功能化后在水中除氟方面的應(yīng)用。

　　活性炭對(duì)氟吸附實(shí)驗(yàn)

　　活性炭原材料，在105℃烘箱中干燥24小時(shí)，然后研磨并篩分至小于2mm的若干粒徑。使用ZnCl2作為化學(xué)試劑通過化學(xué)活化制備活性炭。將初始材料與質(zhì)量比為2:1(初始材料/活化劑)的ZnCl2溶液在70℃攪拌4小時(shí)，然后在馬弗爐中加熱至600℃保持1小時(shí)。一旦冷卻，產(chǎn)物用HCl洗滌，然后在105℃干燥獲得活性炭。為了增加活性炭表面的羥基(OH)，活性炭進(jìn)行了羥基化處理。簡(jiǎn)而言之，在70℃下，將活性炭在攪拌下添加到含有過氧化氫、硝酸和蒸餾水的溶液中4小時(shí)。將產(chǎn)物過濾，用去離子水洗滌，然后在80℃干燥，獲得活性炭-OH。3-(氨基丙基)三乙氧基硅烷被化學(xué)接枝到活性炭和活性炭-OH上。為此，在75℃下將0.3gAPTES溶解在100mL的H2O/C2H5OH(1:3v/v)混合物中，直到溫度穩(wěn)定。然后，將1g活性炭和活性炭-OH載體添加到混合物中并攪拌5小時(shí)制成。氟化物吸附實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度(25℃)下以分批模式進(jìn)行，不同的氟化物初始濃度從5到25mgL-1不等，并由100mgL-1儲(chǔ)備溶液制備。每批將25mL氟化物溶液倒入燒杯中，并在將吸附劑加入溶液后保持在連續(xù)攪拌(250rpm)下。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，通過濾紙過濾溶液并使用氟離子選擇性電極測(cè)量氟離子(F-)的濃度。

　　不同吸附劑的表面形態(tài)

　　材料的SEM圖像在圖1中給出。活性炭具有不均勻的光滑表面，粒徑約為50μm(圖1a)。在用硝酸和過氧化氫進(jìn)行氧化處理后，氧物質(zhì)(羧基和硝酸鹽基團(tuán))被接枝，導(dǎo)致活性炭-OH的表面比活性炭更粗糙(圖1e)。通過APTES處理接枝氨基硅烷是成功的：活性炭-APTES和活性炭-OH-APTES表面分別比活性炭和活性炭-OH更光滑(圖1d和f)。裂縫和不均勻的空腔可用作氟化物的吸附位點(diǎn)。存在的粗糙表面和大量白色顆粒證實(shí)了Al顆粒的添加(圖2c、g和h)。這些白色顆粒可以對(duì)應(yīng)于結(jié)合到材料表面的不同形狀和尺寸的Al納米顆粒的不同簇。

　　圖1：基于活性炭的不同吸附劑的SEM圖像。

　　不同載鋁活性炭的氟吸附效率

　　為了研究載鋁活性炭的潛在環(huán)境應(yīng)用，該材料被用作吸附劑以去除水溶液中的氟化物。研究了F-去除，結(jié)果表明，一些表面改性的活性炭對(duì)溶液中釋放的氟化物表現(xiàn)出親和性，而活性炭的吸附能力有限(圖2)。因此，應(yīng)用于活性炭的處理增強(qiáng)了吸附劑的吸附性能。更具體地說，與APTES改性樣品相比，帶有活性炭的鋁顆粒具有最有效的吸附能力。APTES的胺基似乎無法吸引氟化物，這表明Al:NH2之間存在競(jìng)爭(zhēng)性相互作用NH:OH-Al：吸附劑表面的活化位點(diǎn)減少，導(dǎo)致除氟量減少。有趣的是，活性炭-Al(OH)3的氟化物去除率高達(dá)(99%)。F-去除量的顯著增加可能是由于活性炭-Al(OH)3的表面性質(zhì)，其具有最正的表面(ZP=+29mV)，并且比其他改性活性炭包含更多可用的空位。

　　圖2：活性炭的各種處理對(duì)(a)氟化物去除百分比和(b)吸附能力的影響。

　　活性炭應(yīng)用于地下水除氟

　　關(guān)于上述性能，活性炭-Al(OH)3可以被認(rèn)為是一種環(huán)保且有效的水處理吸附劑。重要的是，由于基于生物質(zhì)的棗莖是我們吸附劑的原材料，并且通過綠色方法進(jìn)行表面改性，所得材料可以出現(xiàn)在低成本的吸附劑中。因此，制備的吸附劑可用于實(shí)際應(yīng)用的離子廢水處理，正如其在地下水中的應(yīng)用所支持的那樣。為了驗(yàn)證活性炭-Al(OH)3吸附劑的效率并測(cè)試吸附是否受到其他陰離子(PO43-、SO42-、NO3-和Cl-)，直接使用活性炭-Al(OH)3處理一些受污染地下水。有趣的是，即使在存在其他陰離子的情況下，活性炭-Al(OH)3也能有效去除氟化物污染，這表明吸附過程對(duì)氟化物具有特異性。根據(jù)吸附劑濃度(從1到4gL-1)，氟化物的最終濃度分別從4mgL-1顯著降低至0.98、0.25、0.1和0.05mgL-1。因此，活性炭-Al(OH)3可用作工業(yè)規(guī)模廢水處理的可重復(fù)使用吸附劑。

　　基于從水中去除氟化物，通過APTES的化學(xué)接枝、Al納米顆粒的摻入來實(shí)現(xiàn)活性炭的功能化。對(duì)氟離子去除進(jìn)行比較和評(píng)估。活性炭及其改性對(duì)應(yīng)物的物理化學(xué)性質(zhì)證實(shí)了成功的羥基化、APTES的化學(xué)接枝以及Al和Al(OH)3顆粒在活性炭表面的摻入。氟化物去除結(jié)果表明，對(duì)氟化物污染物最有效的吸附劑是鋁顆粒。活性炭-Al(OH)3的去除率最高與其他吸附劑。

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