活性炭吸附去除水中的病毒

　　活性炭因其表面積大，孔隙率高和吸附能力大而被公認為是一種有效吸附劑。因此，它們已廣泛用于水凈化中，以去除有機和無機污染物。此外，已經(jīng)測試了多種吸附劑(例如顆粒活性炭和粉末活性炭)的病毒去除能力，因為病毒顯示出與各種表面材料的吸附性相互作用。但是，發(fā)現(xiàn)這些活性炭吸附劑的病毒清除能力較低。所以，我們研發(fā)了超能粉狀活性炭可以改善病毒去除效果。

　　活性炭上帶負電荷的羧基或內(nèi)酯基與病毒上的氨基之間的靜電相互作用在病毒去除中起重要作用。本次主要是評估活性炭去除病毒的性能，并研究孔徑分布對病毒去除的影響。使用MS2噬菌體(MS2)作為模型病毒，進行了批處理實驗，比較了不同活性炭對病毒的去除效果。MS2包含單鏈RNA，并具有二十面體形狀。MS2具有與病原病毒相似的特性，因此已在水處理和消毒研究中廣泛用作替代病毒。

　　活性炭批量去除病毒實驗

　　測試了八種多活性炭吸附劑，包括三個測試用活性炭和五種商用活性炭。分批實驗使用100mL玻璃錐形瓶制備。使用通用測試水在批處理實驗中測試病毒的去除。制備的水質(zhì)參數(shù)如下：溫度：20–25°C，pH：7.0–7.6，總有機碳(TOC)：1.0mg/L，電導(dǎo)率(EC)：17.4–19.2mS/m和堿度：90–110mgCaCO3/L，2M的鹽酸和單寧酸制成的去離子水。首先將摻有病毒儲備溶液和制備的水充分混合。然后，分別添加1g活性炭，并使用磁力攪拌器以400rpm的速度連續(xù)混合懸浮液。

　　幾種吸附劑的表征

　　我們測試了八種活性炭吸附劑的特性。所有吸附劑的粒徑都比較相似，從0.23毫米到0.5毫米不等。測試用活性炭的BET表面積略小于高品質(zhì)商用的BET表面積。放大200k時活性炭表面的SEM圖像如圖1所示。所有測試只能活性炭在pH值為6.0至7.1時都帶有負電荷。測試用活性炭zeta電位無明顯差異(范圍從−13至−34mV)和活性炭(范圍從−6.3至−43mV)。

　　圖1：放大200k時，不同的活性炭的SEM圖像。

　　活性炭吸附劑之間的孔徑分布的差異可能是由原材料來源引起的。實際上，測試用活性炭是由農(nóng)作物纖維素制成的，而商用活性炭是由椰殼和木材制成的。這些原材料可能包含不同含量的碳以及無機和揮發(fā)性化合物，因此可能會影響其孔徑分布。更重要的是，這些材料的生產(chǎn)過程也可能會影響其結(jié)構(gòu)。對于測試用活性炭，去除二氧化硅后，b-c用蒸汽活化處理，而A未處理。因此，很可能在B和C中大比例的大孔徑是由蒸汽活化過程產(chǎn)生/增強的。此外，與B相比，C還用鹽酸處理過。對于活性炭，是經(jīng)過特定程序進行炭化活化后的高指標(biāo)炭。

　　活性炭吸附劑去除病毒

　　通過不同的活性炭去除病毒的過程在圖2顯示。隨著接觸時間從0分鐘增加到60分鐘，測試用活性炭A，活性炭A，B，C并未顯示病毒清除，而測試用活性炭B，C，活性炭D則觀察到病毒去除率增加。在接觸時間為60分鐘時，這些發(fā)現(xiàn)表明，測試用活性炭-C比其他活性炭吸附劑能夠更好地清除病毒。

　　圖2：在不同的接觸時間(0、20、40和60分鐘)，測試用(a)和活性炭(b)去除MS2。

　　由于每單位重量材料的面積更大，因此預(yù)期使用較細的活性炭的吸附能力會更高。但是，從多孔碳材料中觀察到了明顯的病毒去除差異，其粒徑范圍(0.23-0.50mm)與病毒大小相似。此外，盡管測試用活性炭比活性炭具有更少的BET表面積和更低的技術(shù)參數(shù)，但它們實現(xiàn)了更高的病毒清除效率。這些結(jié)果表明，活性炭吸附劑的粒徑和BET表面積可能不是影響病毒去除效率的主要因素。

　　與以前的研究相比，當(dāng)前研究中的測試用活性炭的性能可能更有效，因為它們可以在更短的接觸時間(60分鐘)內(nèi)實現(xiàn)更高的病毒清除率。此外，當(dāng)前研究中有機化合物的存在可能降低了測試用活性炭的病毒去除效率。在以前的研究中使用的水中，測試用活性炭效果比較好。但是，應(yīng)該注意的是，當(dāng)前研究中使用的吸附用量也高于先前研究中的用量。因此，需要進行更多的研究來比較不同吸附劑在相同實驗條件下去除病毒的效率。

　　活性炭去除病毒的性能可能會受到其孔徑分布的影響。比微孔(<2nm)和中孔(2–50nm)大的孔比病毒(特別是200–4500nm)大，更有助于去除MS2。在所測試的吸附劑中，改良活性炭C具有更大的200-4500nm孔體積，能夠比其他吸附劑更好地去除MS2。改良活性炭中很大比例的大孔可能是由原材料在生產(chǎn)過程造成的，該過程采用了去除二氧化硅，蒸汽活化和酸洗的方法。因此，改良活性炭在水凈化過程中顯示出是一種用于水凈化過程中去除病毒的潛力吸附劑。

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