活性炭從水溶液中去除溶劑縮酮

　　縮酮和縮醛可用作汽油和柴油燃料的添加劑，可以改善了柴油燃料的冷流特性以及汽油燃料的氧化穩(wěn)定性、膠質(zhì)形成和辛烷值由于其獨(dú)特的性質(zhì)。雖然近年來已成為常用的生物添加劑之一，但是隨意排放在水中是會造成嚴(yán)重的環(huán)境危害。所以在這次研究中，使用了活性炭和金屬有機(jī)骨架測試了溶膠縮酮的吸附，出于比較的目的，還選擇雙氯芬酸和咖啡因作為新興污染物來做對比。

　　活性炭對縮酮的吸附實(shí)驗

　　吸附過程可能受到幾個起重要作用的因素的影響;其中，吸附劑的用量和吸附物的初始濃度對最終結(jié)果影響很大。為了研究吸附劑劑量的作用，根據(jù)吸附劑和被吸附物使用了不同的劑量。使用雙氯芬酸和咖啡因作為吸附物和活性炭作為吸附劑，研究了10至30mg的劑量。當(dāng)縮酮是吸附物時，活性炭用量范圍為1至2g。結(jié)果匯總在圖1的第一列中。可以看出，活性炭的吸附容量對于雙氯芬酸和咖啡因是相似的，而在縮酮的情況下要大得多。在實(shí)驗中，分析了15mg/dm3濃度的雙氯芬酸或咖啡因上的50、75和100mg活性炭的用量。使用金屬有機(jī)骨架時，其對雙氯芬酸的吸附能力大于咖啡因�？偟膩碚f，金屬有機(jī)骨架的吸附能力在所有情況下都低于使用活性炭作為吸附劑時的吸附能力。在所有實(shí)驗中，平衡吸附容量隨著吸附劑劑量的增加而增加。例如，在活性炭和雙氯芬酸(15mg/dm3)的情況下，當(dāng)活性炭的量從10mg增加到30mg時，吸附量增加了35.9%到83.8%。這一結(jié)果可能是由于顆粒相互作用和吸附位點(diǎn)的聚集，導(dǎo)致有機(jī)污染物可用的有效吸附表面積減少。

　　圖1：使用不同吸收濃度和活性炭用量對活性炭上雙氯芬酸、咖啡因和縮酮的動力學(xué)吸附數(shù)據(jù)。

　　吸附過程分為兩個階段：初始階段較短且吸附速度較快，因為有更多的游離和更強(qiáng)的活性位點(diǎn)，隨后是較慢和較長的吸收期，在該階段中，吸附力出現(xiàn)在兩個階段之間。已經(jīng)吸附的有機(jī)分子和本體相中的有機(jī)分子，防止它們被吸附。進(jìn)一步研究了有機(jī)分子的顆粒內(nèi)擴(kuò)散，如圖2所示。該過程外部傳質(zhì)和有機(jī)分子在吸附劑最表層上的快速分布。第二是與顆粒內(nèi)擴(kuò)散到吸附劑的更多內(nèi)部活性位點(diǎn)有關(guān)。活性炭的孔隙是金屬有機(jī)骨架的兩倍，多孔吸附劑中的吸附過程也通過對平衡應(yīng)用分?jǐn)?shù)法來估計有效擴(kuò)散系數(shù)，當(dāng)活性炭是吸附劑時，可以表明內(nèi)部活性位點(diǎn)的吸收較慢，有利于內(nèi)部位點(diǎn)的吸附過程。總體趨勢表明，隨著吸附劑用量的增加，擴(kuò)散系數(shù)也隨之增加。

　　圖2：在活性炭和有機(jī)金屬骨架上吸附有機(jī)分子的粒子內(nèi)擴(kuò)散模型。

　　活性炭的吸附機(jī)理研究

　　活性炭表面和有機(jī)污染物之間的各種類型的相互作用來解釋材料的去除能力：疏水相互作用、π-π堆積相互作用、范德華力、靜電相互作用和氫鍵相互作用，它們可以發(fā)生單獨(dú)或同時。

　　吸附結(jié)果表明，兩種吸附劑(活性炭和金屬有機(jī)骨架)對所研究的三種有機(jī)化合物具有親和力。吸附劑表面與分子之間的吸引或排斥相互作用受材料表面化學(xué)特性的影響。溶液中吸附劑表面的凈電荷以零電荷點(diǎn)為特征。在活性炭的情況下，在之前的工作中發(fā)現(xiàn)值為4.5，表明該材料在本研究的吸附條件下帶負(fù)電荷。因此，帶負(fù)電的表面和有機(jī)分子之間的靜電吸引力是可能的。因此，在所使用的實(shí)驗條件下，不能忽略范德華力和π-π相互作用對去除有機(jī)分子的影響。金屬有機(jī)骨架的這種結(jié)構(gòu)可能與活性炭的表面特性有相似之處，在這種情況下，也可以建議將發(fā)生上述相同類型的交互。

　　活性炭從水溶液中去除溶劑縮酮的研究中，由于缺乏關(guān)于通過吸附從水中去除的數(shù)據(jù)，已經(jīng)測試了縮酮吸附以及用于比較的雙氯芬酸和咖啡因。活性炭和金屬有機(jī)骨架已被測試為吸附劑;活性炭給出了很好的結(jié)果(81%的縮酮被吸附)，盡管金屬有機(jī)骨架達(dá)到平衡的速度更快(22分鐘)。研究了各種參數(shù)的影響，例如吸附劑質(zhì)量或污染物的初始濃度。吸附動力學(xué)分析顯示更適合偽二級模型，其中吸附過程分為兩個階段。活性炭在顆粒內(nèi)擴(kuò)散中給出了較低的值，這可能表明內(nèi)部活性位點(diǎn)的吸收較慢。吸附等溫線也符合實(shí)驗數(shù)據(jù)，與Langmuir和Freundlich方程相比，三參數(shù)方程在實(shí)驗和理論數(shù)據(jù)之間給出了更好的一致性�？傮w而言，兩種吸附劑均已被證明對溶劑縮酮吸附非常好，能夠從水溶液中去除高達(dá)81%的溶劑縮酮。

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