活性炭吸附處理3,5-二硝基水楊酸

　　水污染在環(huán)境保護(hù)中是一個(gè)大問(wèn)題，最近發(fā)現(xiàn)一些硝基芳族化合物存在于工業(yè)(如葡萄酒工業(yè))的廢水中。其中一種化合物是3,5-二硝基水楊酸(DNS)，廣泛用于各種測(cè)試，也是是廢水中的一種新興污染物。為了更好的利用水資源實(shí)現(xiàn)受污染污水中的水的再利用，提成了一種吸附污染物的處理方法是使用活性炭，它表現(xiàn)出穩(wěn)定性和高吸附能力、易于處理、低能耗和通用性，并且不會(huì)形成反應(yīng)副產(chǎn)物。活性炭廣泛用于水處理因?yàn)樗�具有諸如高接觸表面、孔隙率和豐富的表面基團(tuán)等特性，與粘土、沸石和石墨烯中的特性相比，這些特性更穩(wěn)定。

　　3,5-二硝基水楊酸吸附等溫線

　　平衡吸附分析使我們能夠獲得不同等溫線模型的參數(shù)，表明在去除污染物時(shí)進(jìn)行了何種類型的過(guò)程。在圖1中，顯示了使用粉末活性炭(圖1a)和活性炭(圖1b)在不同溫度下DNS的吸附能力。還觀察到3,5-二硝基水楊酸在兩種吸附劑中的吸附都隨著溫度的升高而顯著影響，隨著溫度的升高呈現(xiàn)出更大的吸附。因此，在45℃時(shí)，活性炭和粉末活性炭的大吸附容量分別為6.97和11.57mg/g。這可能是由于去除過(guò)程的環(huán)境，這會(huì)導(dǎo)致吸附劑表面隨著溫度的升高而增加其對(duì)3,5-二硝基水楊酸吸附的參與。使用商用活性炭的文獻(xiàn)中也報(bào)道了類似的行為。在其他研究中，使用這種吸附劑還觀察到，基于苯酚、高氯酸鹽和重金屬等的不同化合物的吸附能力有所增加。

　　圖1：不同溫度下DNS吸附的演變(a)活性炭和(b)粉末活性炭。

　　使用經(jīng)商業(yè)氧化方法在不同溫度下處理的活性炭去除磺基水楊酸和3,5-二硝基水楊酸的研究發(fā)現(xiàn)，最適合的模型是Langmuir的模型，表現(xiàn)出很大的吸附能力。在一些藥物化合物中，如雙氯芬酸、乙酰水楊酸、咖啡因等，最適合的模型是Toht，盡管在其他化合物中最佳模型是朗繆爾。此外，酚類和衍生化合物的吸附已在活性炭和其他低成本吸附劑中進(jìn)行。

　　活性炭和粉末活性炭中3,5-二硝基水楊酸吸附的傳質(zhì)研究

　　外部和粒子內(nèi)傳質(zhì)過(guò)程的分析可以對(duì)3,5-二硝基水楊酸的吸附產(chǎn)生顯著影響，在去除3,5-二硝基水楊酸時(shí)可能存在由于物質(zhì)傳輸造成的限制，這有必要對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行分析。圖2a是以外擴(kuò)散模型為基礎(chǔ)構(gòu)建的，從中可以看出，對(duì)于活性炭，在吸附過(guò)程中接觸長(zhǎng)達(dá)6小時(shí)的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)處存在一條直線，這表明存在以下可能性，在任何溫度的過(guò)程中通過(guò)外部傳質(zhì)控制。圖2b顯示了粉末活性炭在3,5-二硝基水楊酸吸附中獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表示，其中在與吸附劑接觸1小時(shí)時(shí)觀察到一條直線。這表明使用活性炭粒子不存在外部傳質(zhì)問(wèn)題，因?yàn)?,5-二硝基水楊酸會(huì)迅速?gòu)娜芤褐腥コ�，擴(kuò)散到表面。此外，這表明活性炭顆粒中的吸附過(guò)程可能是由于表面存在的官能團(tuán)。根據(jù)這些結(jié)果，確定是否也存在內(nèi)部傳質(zhì)問(wèn)題很重要，從而能夠確定3,5-二硝基水楊酸刪除過(guò)程是否受到這種現(xiàn)象的存在的顯著影響。

　　圖2：不同溫度下的外部傳質(zhì)分析(a)活性炭和(b)粉末活性炭。

　　粒子內(nèi)傳質(zhì)模型在圖3a中，只能看到兩個(gè)階段，外部擴(kuò)散和平衡階段，因?yàn)闆](méi)有清楚地觀察到粒子內(nèi)擴(kuò)散階段。這表明外部傳質(zhì)直接參與了3,5-二硝基水楊酸的吸附，導(dǎo)致3,5-二硝基水楊酸分子延遲從溶液中去除并被捕獲在活性炭表面，因此需要更多的吸附能，使得吸附容量與粉狀活性炭相比較低，這與本研究中平衡吸附研究中獲得的結(jié)果一致。

　　圖3：不同溫度下的外部傳質(zhì)分析(a)活性炭和(b)粉末活性炭。

　　對(duì)活性炭吸附中顆粒內(nèi)傳質(zhì)限制的分析(圖3b)表明可以觀察到兩個(gè)階段，外部擴(kuò)散，這是一個(gè)短階段，因?yàn)樗�只發(fā)生在過(guò)程的第一個(gè)小時(shí)，給出了動(dòng)力學(xué)常數(shù)比活性炭獲得的數(shù)量級(jí)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。后來(lái)，平衡階段被注意到。該結(jié)果表明吸附過(guò)程沒(méi)有外部和顆粒內(nèi)傳質(zhì)限制，但該過(guò)程受碳顆粒表面分子的捕獲控制。這項(xiàng)研究表明，吸附能力和3,5-二硝基水楊酸去除百分比更大的原因之一是使用粉末狀活性炭，因?yàn)樗鼉H取決于表面上發(fā)現(xiàn)的官能團(tuán)的參與;相反，對(duì)于活性炭，它不僅取決于吸附劑表面的參與，而且受外部質(zhì)量傳輸影響的限制，證實(shí)與粉末活性炭相比，必須使用更多的能量從溶液中去除3,5-二硝基水楊酸。

　　活性炭吸附處理3,5-二硝基水楊酸的研究中，使用顆粒和粉末形式的商用活性炭分析去除能力，并在動(dòng)力學(xué)過(guò)程和平衡狀態(tài)下評(píng)估去除效果。在平衡研究中，發(fā)現(xiàn)吸附過(guò)程是在材料表面進(jìn)行的，不受吸附質(zhì)和吸附劑之間只有單層相互作用的限制;這可能是由于3,5-二硝基水楊酸吸附的吸熱性質(zhì)導(dǎo)致溫度升高有利于該過(guò)程。就其本身而言，動(dòng)力學(xué)研究表明活性炭和粉末具有不同的去除機(jī)制，具體取決于材料的形狀，特別是對(duì)于活性炭，除了存在外部傳質(zhì)問(wèn)題外，還存在具有異質(zhì)吸附能的表面。另一方面，在粉末活性炭中發(fā)現(xiàn)需要兩個(gè)活性位點(diǎn)來(lái)吸附3,5-二硝基水楊酸分子，并且表明不存在對(duì)其吸附能力產(chǎn)生很大差異的外部傳質(zhì)問(wèn)題。所得結(jié)果表明，與活性炭相比，粉末活性炭具有更好的3,5-二硝基水楊酸吸附能力，這可能是吸附材料形狀特征差異的結(jié)果。

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