活性炭浸渍聚乙烯亚胺去除六价铬
聚乙烯亚胺浸渍活性炭去除六价铬
聚乙烯亚胺是一种环境友好的亲水性聚合物，能与水中的污染物形成强氢键。虽然它具有良好的金属螯合性能，但吸附后难以回收，不能直接用作吸附剂。因此我们研究了用稀聚乙烯亚胺溶液浸渍的活性炭作为六价铬污染水体修复的吸附剂。
聚乙烯亚胺改性活性炭的制备及吸附方法
采用湿浸渍法，称量约4.0g聚乙烯亚胺，与40.0mL甲醇在烧瓶中混合，搅拌30分钟。将混合物加入到5.0g干活性炭中，加入量为预定大小。将混合物连续搅拌1小时，放入加热至80℃的水浴中。聚乙烯亚胺浸渍24小时。过滤活性炭并用水洗涤以除去任何过量的聚乙烯亚胺。将得到的浸渍有聚乙烯亚胺的活性炭在50℃下干燥24小时。通过在模型上搅拌吸附剂和六价铬溶液的混合物，将六价铬吸附到浸渍的活性炭上。所有实验均以批量模式进行，使用100mL烧杯，报告的结果是重复实验的平均值。研究了接触时间（0～240 min）、初始pH值（1～9）及初始六价铬浓度（30～200 mg/L-1）对吸附的影响，pH值采用1 M盐酸或0.5 M氢氧化钠溶液调节。
浸渍后活性炭的表征
由于碳含量高，即存在大量石墨碳-碳键，活性炭和浸渍活性炭的热重分析曲线显示重量损失小于 20%（图 1a），表明具有较高的热稳定性。活性炭和浸渍活性炭均表现出三个重量损失阶段，即物理吸附水的去除、通过分解有机碳结构进行的初级脱气、通过分解初级脱气中的非挥发性产物进行的二次脱气。因此，浸渍活性炭的损失速率曲线分别在148.4℃、346.7℃、736.0℃处出现峰值（图1b），这些峰值在活性炭曲线中是不存在的，分别归因于物理吸附的聚乙烯亚胺的分解、化学键合的聚乙烯亚胺单元的热解、以及聚乙烯亚胺热解产生的非挥发性残留物的降解。
图1：活性炭和浸渍活性炭的物理化学特性：（a）TGA重量损失曲线，（b）TGA重量损失速率曲线，（c）FTIR光谱，（d）SEM显微照片（仅浸渍活性炭）。
接触时间和动力学模型的贡献
图 2 显示了吸附后溶液中铬物质的浓度与 0 至 240 分钟范围内的暴露时间相关。本研究中使用的其他条件是初始六价铬浓度为 100 mg/L-1、初始溶液 pH 值为 3.0、吸附剂质量为 0.05 g 以及孵育温度为 25 °C。Cr(VI) 和 Cr(III) 物质的浓度与时间的关系图，如图 2 所示。Cr(VI) 离子的吸附由三个不同的部分组成。第一部分显示 Cr(VI) 浓度在 0 到 20 分钟之间迅速下降，这归因于 Cr(VI) 离子开始覆盖浸渍活性炭吸附剂的表面。在此初始过程中，从本体溶液通过吸附剂颗粒周围边界层的质量传递速率很高。最初的20分钟阶段也涉及溶液中Cr（III）的浓度从0增加到50 mg / L-1，这表明一些Cr（VI）离子在质子和表面羟基和胺等给电子基团存在下吸附在浸渍活性炭上。第二阶段是20到120分钟之间，表示Cr（VI）离子基于质量传递在吸附剂内部孔结构内缓慢迁移。从120分钟开始的最后一个阶段归因于吸附质在内表面的附着以及达到吸附平衡时吸附位点的饱和。从图2a还可以推断，Cr（VI）还原为Cr（III）仅在前40分钟内迅速，然后趋于稳定。这是因为随着Cr(VI)离子的吸附按方程进行，活性炭表面的功能基团被氧化转化，从而趋于稳定。从定量上看，240分钟后Cr(VI)的去除效率和吸附量分别为86%和86.25 mg/g-1。
图2：(a)六价铬溶液与浸渍活性炭接触时间对Cr浓度和形态的影响。(b)反应动力学模型，(c)扩散模型，(d)线性化粒子内扩散模型。
初始六价铬浓度和吸附等温线的贡献
通过固定所有其他参数（pH、时间、吸附剂质量），同时将初始 Cr(VI) 浓度从 30 变为 200 mg/L-1，研究了初始 Cr(VI) 浓度的影响。吸附的 Cr(VI) 离子数量随初始 Cr(VI) 浓度的增加而增加，而去除率随初始 Cr(VI) 浓度的增加而降低（结果未显示）。在活性炭质量固定的情况下，吸附位点的比例大致保持不变，而增加初始 Cr(VI) 浓度会增加溶液中 Cr(VI) 离子与吸附相之间浓度梯度的驱动力。反过来，浓度梯度驱动力的增加会导致传质阻力的增加，从而使 Cr(VI) 离子更有效地转移到浸渍活性炭的表面。图 3a 显示了 Cr(VI) 离子在浸渍聚乙烯亚胺的活性炭上吸附的 Sips 平衡等温线拟合。
图3：(a)浸渍活性炭上六价铬吸附的平衡等温线，(b)竞争阴离子对平衡铬浓度的影响。
使用活性炭处理含有六价铬离子的水溶液是一种简单、有效且经济的废水处理方法。吸附在很大程度上取决于初始 pH 值、初始浓度和接触时间。Cr(VI) 在 1.0 至 3.0 之间的低 pH 值下吸收更有利。Cr(VI) 的吸附容量也随着 Cr(VI) 的初始浓度而增加，表明吸附剂具有有限的活性位点，这些位点在一定浓度以上就会饱和。FTIR 结果还表明存在 CONH 拉伸、NH 拉伸、NH 弯曲和 CN 拉伸，这可以归因于浸渍在活性炭表面上的聚乙烯亚胺。这项研究表明，活性炭可以成为吸附六价铬污染水的良好吸附剂，因为它具有 114 mg/g-1 的高吸附容量和更快的反应动力学（k2=0.0003）。从传质角度来看，膜扩散和孔隙扩散都不是 Cr(VI) 吸附过程中唯一的速率决定步骤。浸渍活性炭表面吸收 Cr(VI) 的机制涉及与有机官能团的静电相互作用，然后是氧化还原反应，将 Cr(VI) 还原为 Cr(III)。
文章标签：椰壳活性炭、果壳活性炭、煤质活性炭、木质活性炭、蜂窝活性炭、净水活性炭。
本文链接：