活性炭吸附2-甲基異冰片和光催化

　　在水域中產(chǎn)生味道和氣味的化合物由三種主要分類群作為異味次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)生：(1)藍(lán)藻、(2)放線菌和(3)真菌，并且存在于多達(dá)50%的湖泊/水庫。2-甲基異冰片是一種常見的由異味次級代謝產(chǎn)物引起的味道和氣味化合物，是飲用水公用事業(yè)中常見的物質(zhì)。由于飲用水廠的氣味閾值非常低，常見的水處理工藝在去除2-甲基異冰片方面表現(xiàn)不佳 。因此，2-甲基異冰片通常通過包括活性炭吸附和高級氧化工藝在內(nèi)的高級處理工藝去除。

　　由于活性炭的多種有利特性，例如微孔結(jié)構(gòu)、高吸附能力以及特殊的表面反應(yīng)性。并且在多項(xiàng)研究表明，使用粉狀活性炭和顆粒狀活性炭可以很好的去除2-甲基異冰片。然而，由于會在吸附劑上形成生物膜，天然有機(jī)物的存在導(dǎo)致活性炭的吸附能力降低。本研究的目的有制備納米復(fù)合材料 (活性炭載二氧化鈦) 以在紫外光照射下降解2-甲基異冰片，評估天然有機(jī)物對吸附的影響。分析活性炭去除效率與光催化劑用量之間的關(guān)系來研究解決水中的污染。

　　活性炭的載鈦和分析

　　活性炭載二氧化鈦是通過溶膠-凝膠法合成的。在室溫下，將待載溶解在無水乙醇中，然后將冰醋酸緩慢加入漿液中。用濃鹽酸將溶液的pH值調(diào)至2-3。隨后，懸浮液在室溫下攪拌30分鐘并超聲10分鐘得到改性活性炭。SEM圖像及其對活性炭和載二氧化鈦活性炭的EDX分析如圖1所示�？梢郧宄�地看到活性炭具有不規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)，分布密度高。EDX上的元素映射表明C、O和Au的百分比分別為77.77%、27.57%和0.66%。應(yīng)該注意的是，Au主要來自用于增強(qiáng)導(dǎo)電性的鍍金膜。發(fā)現(xiàn)二氧化鈦顆粒分散在活性炭的表面。此外，在載二氧化鈦的活性炭上可觀察到粗糙的多孔結(jié)構(gòu)，證實(shí)了二氧化鈦在活性炭表面形成。

　　圖1：活性炭(a、c)和二氧化鈦載活性炭(b、d)的SEM圖像和EDX分析。

　　光降解性能

　　研究了活性炭和載鈦活性炭在紫外線照射下對2-甲基異冰片的光降解，結(jié)果如圖2a所示。如圖2a所示，活性炭可以在黑暗中從水溶液中去除約49.4%的2-甲基異冰片，而載鈦活性炭可以從水中吸附約35.3%的2-甲基異冰片。此外，在沒有催化劑的情況下，2-甲基異冰片在紫外光下的降解速度很慢�；钚蕴亢洼d鈦活性炭都可以在紫外光下快速去除2-甲基異冰片。活性炭和載鈦活性炭對2-甲基異冰片的降解效率隨時(shí)間增加，直到約3小時(shí)后達(dá)到平衡。此外，很明顯，載鈦活性炭在180分鐘內(nèi)獲得了97.8%的降解效率，而活性炭的降解效率僅為65.4%。

　　圖2：活性炭和載鈦活性炭在蒸餾水中光催化降解2-甲基異冰片的(a)去除效率和(b)動力學(xué)。

　　天然有機(jī)物對光降解性能的影響

　　天然有機(jī)物的主要成分是腐植酸和單寧酸，因?yàn)樗鼈兤毡榇嬖谟诟鞣N天然水中。圖3顯示了從蒸餾水和天然有機(jī)物水中消除2-甲基異冰片的情況，這取決于光降解前后催化劑的用量。如圖3a所示，發(fā)現(xiàn)兩種催化劑在天然有機(jī)物水中的去除更接近。然而，腐植酸和單寧酸的存在導(dǎo)致活性炭和載鈦活性炭對2-甲基異冰片的吸附能力顯著降低。此外，為了達(dá)到氣味閾值濃度值，兩種催化劑在低天然有機(jī)物濃度的水中所需的劑量比在蒸餾水中增加了大約一倍。這種現(xiàn)象表明天然有機(jī)物和2-甲基異冰片之間對于兩種催化劑的活性位點(diǎn)存在競爭關(guān)系。同時(shí)，值得注意的是，當(dāng)微生物分子接近模型污染物時(shí)，競爭吸附最強(qiáng)。然而，在光降解后，載鈦活性炭對2-甲基異冰片的去除效率顯著提高(圖3b)。

　　圖3：2-甲基異冰片的(a)吸附去除效率和(b)光催化降解。

　　本次我們通過溶膠-凝膠法制備了一種新型光催化劑。此外，其制備工藝簡單，原材料價(jià)格低廉。我們的工作致力于對活性炭和載鈦活性炭對水中2-甲基異冰片的吸附和光催化行為進(jìn)行比較研究。吸附實(shí)驗(yàn)表明，與活性炭相比載鈦活性炭對蒸餾水中的2-甲基異冰片表現(xiàn)出更好的光催化性能。紫外可見光譜表明活性位點(diǎn)的直接競爭被確定為天然有機(jī)物效應(yīng)的主要機(jī)制。這種競爭現(xiàn)象在實(shí)際的水環(huán)境中可能更加明顯，因?yàn)樘烊挥袡C(jī)物是由各種有機(jī)化合物組成的。此外，由于實(shí)際水域中參數(shù)值只有微小差異。該研究對于開發(fā)對包括2-甲基異冰片在內(nèi)的有機(jī)污染物具有很好吸附和光催化性能的新型復(fù)合光催化劑具有重要意義。

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