載鐵活性炭對飲用水中鹵乙酸的吸附研究

楊遠盛 姚尚和

摘要 [目的]研究載鐵活性炭去除鹵乙酸的特性。[方法]通過浸漬-焙燒法制備載鐵活性炭，研究載鐵活性炭（Fe.AC）對三氯乙酸溶液的吸附速率及吸附等溫線。[結(jié)果]載鐵活性炭對三氯乙酸（TCAA）的初期吸附速率較活性炭可提高10%；在單底質(zhì)條件下，載鐵活性炭及活性炭對鹵乙酸的吸附等溫線均符合Freundlich 方程，且K載鐵 >K活性炭，表明載鐵活性炭與活性炭相比提高了三氯乙酸的吸附性能。[結(jié)論]修正后的Freundlich 方程可以更好地擬合三氯乙酸的吸附過程。

關(guān)鍵詞 吸附；載鐵活性炭；鹵乙酸；吸附等溫線；三氯乙酸

中圖分類號 S181.3 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05201-02

在我國大部分城市，自來水廠使用的消毒方式均是氯化消毒，氯化消毒使用廣泛，但消毒副產(chǎn)物中的三氯甲烷（THMs）、鹵乙酸（HAAs）以及余氯等化學(xué)物質(zhì)，往往具有致癌風(fēng)險[1]。由美國水廠協(xié)會（AWWA）研究基金會報道的有關(guān)消毒副產(chǎn)物（DBPs）致癌風(fēng)險數(shù)據(jù)表明，總DBPs 致癌風(fēng)險的91.9%由鹵乙酸貢獻，而三鹵甲烷的致癌風(fēng)險貢獻僅占8.1%，可見對飲用水中鹵乙酸的去除研究非常重要[2]。近年來，國內(nèi)外對鹵乙酸處理技術(shù)進行了大量研究，氧化技術(shù)、生物技術(shù)、活性炭技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用[3]。利用活性炭去除鹵乙酸是一種較為普遍的方法，活性炭是一種具有較好吸附性能的吸附劑，又可以再生，但由于活性炭成本費用高[4]，未經(jīng)改性的活性炭往往吸附性能不佳[5]。該實驗通過負載鐵離子改性顆?；钚蕴縼硖幚硭宣u乙酸，并對其吸附性能進行研究。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 顆?；钚蕴款A(yù)處理以及改性處理。

1.1.1.1 未經(jīng)改性活性炭。將顆粒活性炭置于0.01 mol/L HNO3溶液中，浸泡12～15 h，抽濾后用去離子水反復(fù)洗滌，再用去離子水煮沸2～3 h后漂洗至pH為中性，置于鼓風(fēng)干燥箱在105 ℃下烘干24 h后，取出備用。

1.1.1.2 改性顆粒活性炭。稱取預(yù)處理后的活性炭10 g用10%的硝酸鐵溶液浸漬24 h，在80 ℃條件下在鼓風(fēng)干燥箱中干燥4～5 h后，置于管式電阻爐中，在氮氣保護氣氛中以300 ℃恒溫焙燒2 h，在氮氣保護的氣氛中冷卻至室溫，制得載鐵活性炭。

1.1.2 三氯乙酸模擬溶液的配置。稱取0.200 0 g三氯乙酸，溶于去離子水，用1 000 ml容量瓶定容，靜置存放。實驗前，取適量貯備液，稀釋至200 μg/L，配置成三氯乙酸模擬溶液。

1.2 分析方法 該實驗采用氣相色譜法測定三氯乙酸的含量，色譜柱為HP.NNOWAX30 m×0.53 mm×1.0 μm；色譜柱溫度為100 ℃保持1 min，5 ℃/min程序升溫至150 ℃保持5 min；進樣口溫度250 ℃；檢測器溫度300 ℃；載氣為N2，流速6.0 ml/min。

1.2.1 活性炭對三氯乙酸的吸附等溫線測定。該實驗測定三氯乙酸單吸附質(zhì)條件下活性炭對三氯乙酸的吸附等溫線，考察活性炭對三氯乙酸吸附能力，其中包括改性后和未經(jīng)改性活性炭2組。分別取配置好的三氯乙酸溶液100 ml，加入10個250 ml錐形瓶中，在瓶中依次加入0、5、10、20、30、50、100、150、200、300 mg載鐵活性炭，然后放入恒溫搖床中，在25 ℃條件下，150次/min震蕩24 h后取出，用0.45 μm濾膜過濾，取樣測定三氯乙酸濃度。對比實驗為未經(jīng)改性顆粒活性炭，條件相同。

1.2.2 載鐵活性炭對三氯乙酸的吸附速率的測定。取6個細口瓶，分別準(zhǔn)確稱取200 mg載鐵活性炭，依次加入細口瓶中，加入150 ml含有三氯乙酸的水樣，在25 ℃的恒溫搖床中以150次/min的頻率震蕩吸附。然后每隔一段時間取出一個細口瓶，吸附時間分別為5、15、25、35、 45、60 min。水樣用0.45 μm濾膜過濾后，測定三氯乙酸的濃度，計算Fe-AC吸附三氯乙酸的平均速度。

1.2.3 Freundlich吸附等溫線。Freundlich方程能較好地描述吸附平衡數(shù)據(jù)，F(xiàn)reundlich吸附等溫式為：lgQ=lgK+1nlgCe，式中，Q為單位質(zhì)量的吸附劑吸附目標(biāo)化合物的平衡吸附量（μg/g）；K為下限吸附量，吸附等溫線在lgCe=0時的截距，反映了吸附劑去除目標(biāo)化合物的能力；n為Freundlich常數(shù)，與吸附劑、吸附質(zhì)種類及溫度有關(guān)；Ce為目標(biāo)化合物的平衡液相濃度（μg/L）。考慮到吸附劑投加量的影響，對Freundlich公式進行修正，修正的Freundlich方程式為：lgQ=lgK+1nlgCeD，其中，D為吸附劑的投加量（mg/L）。修正的Freundlich吸附等溫式是不均勻表面能的特殊例子，一般適用于濃度不高的情況下。

2 結(jié)果與分析

2.1 活性炭吸附速率 從活性炭和載鐵活性炭對三氯乙酸的平均吸附速率（表1）可以看出，活性炭及載鐵活性炭對三氯乙酸的吸附在初始階段較快，隨著反應(yīng)的進行，吸附速率逐漸降低；2種吸附材料對比可知，載鐵活性炭對三氯乙酸吸附速率較活性炭有所提高，但相差不大，初期反應(yīng)速率較活性炭可提高10%。Fe.AC對三氯乙酸吸附速率不高，這與吸附質(zhì)性質(zhì)和Fe-AC內(nèi)表面積有關(guān)，在水處理應(yīng)用中應(yīng)該考慮增加中孔面積以加快吸附。

2.2 活性炭改性前后吸附等溫線擬合

2.2.1 活性炭的吸附等溫線。對活性炭吸附試驗數(shù)據(jù)進行吸附等溫線的擬合，其中活性炭吸附三氯乙酸的Freundlich 方程擬合如圖1a所示，由于三氯乙酸濃度較低，對Freundlich方程擬合結(jié)果進行修正后可得圖1b。Freundlich方程及修正后Freundlich方程的相關(guān)系數(shù)R2分別0.974 2和0.996 1，下限吸附量K及1/n值分別為67.62、0.611 7和109.38、0.344 8。由此可知，F(xiàn)reundlich和修正后的Freundlich方程與試驗結(jié)果擬合效果較好，且修正的Freundlich方程擬合度更高。

圖1 活性炭吸附三氯乙酸的Freundlich方程擬合（a）和修正后的Freundlich方程擬合活性炭吸附三氯乙酸（b）2.2.2 載鐵活性炭的吸附等溫線方程。從載鐵活性炭吸附三氯乙酸的修正前后的Freundlich 方程擬合（圖2）可以看出，F(xiàn)reundlich方程及修正后的Freundlich方程的相關(guān)系數(shù)R2分別0.958 6和0.995 1，下限吸附量K及1/n值分別為75.35、0.586 2和112.51、0.317 7。因此，負載后活性炭吸附等溫線符合修正的Freundlich等溫式，說明載鐵活性炭與其改性前相似。

對比改性前后Freundlich吸附等溫線K值，載鐵活性炭組別大于活性炭組別的K值，可知，載鐵活性炭對三氯乙酸具有更強的吸附能力。吸附等溫線的斜率較小，或線形較平緩，則單位重量的吸附劑所能吸附的吸附質(zhì)在吸附等溫線所指示的所有平衡濃度下均基本相等，不管平衡濃度如何，吸附劑與吸附質(zhì)間均有較高的親和力；而斜率較高的吸附等溫線，則表明吸附劑的吸附容量對吸附平衡濃度的高度依賴性，即吸附平衡濃度的稍微變化也將導(dǎo)致吸附容量的變化。對比圖1a和圖2a可以看出，載鐵活性炭對三氯乙酸的吸附等溫線斜率較改性前的小，即改性后的載鐵活性炭對不同平衡濃度下的三氯乙酸均具有更高親和力。

活性炭本身具有比較強的吸附性能，吸附性能主要是由其孔結(jié)構(gòu)和表面特性決定的?；钚蕴糠譃轭w?；钚蕴亢头勰┗钚蕴?種，粉末活性炭因為比表面積大，容易與吸附質(zhì)均勻混合，因而具有極強的吸附性能，被廣泛應(yīng)用于氣體和廢水的凈化等。顆粒活性炭因為本身吸附能力有限，若單獨使用顆?；钚蕴?，吸附容量低，活性炭不能充分應(yīng)用，且成本高，費用高。目前，國內(nèi)廣泛研究各種顆?；钚蕴扛男苑椒ū姸?，有氧化改性、還原改性、負載金屬改性等。該實驗采用負載鐵離子改性顆?；钚蕴咳コM溶液中的三氯乙酸，通過金屬鹽的負載，形成活性炭表面的金屬氧化層，添加過渡金屬不僅可以制備出中孔結(jié)構(gòu)發(fā)達的活性炭，且過渡金屬可以顯著增加活性炭的吸附性能。資料表明，經(jīng)過改性后的顆粒活性炭，在電鏡照片下可以看出比表面積有所提高[6]，原因可能是在高溫下，硝酸鐵分解產(chǎn)生氣體沖擊形成了更多的孔道。通過負載鐵離子，增強對三氯乙酸的吸附選擇性，提高對三氯乙酸的吸附容量。該實驗以活性炭為載體，在活性炭表面通過浸漬-焙燒的方法負載氧化鐵，研究了載鐵活性炭對水中三氯乙酸的吸附過程。

3 結(jié)論

該實驗采用浸漬-焙燒法制備載鐵活性炭（Fe.Ac），研究載鐵活性炭對飲用水中三氯乙酸單吸附質(zhì)的吸附等溫線和吸附速率。結(jié)果表明，載鐵前后活性炭對三氯乙酸吸附效率相比，雖然載鐵后初期吸附效率可提高10%，但Fe.AC對三氯乙酸吸附速率不高，這與吸附質(zhì)性質(zhì)和Fe.AC內(nèi)表面積有關(guān)，在水處理應(yīng)用中應(yīng)該考慮增加中孔面積以加快吸附；三氯乙酸單吸附質(zhì)濃度<200 mg/L時，F(xiàn)e.AC和活性炭對三氯乙酸的吸附等溫線均符合修正后的Freundlich方程。

參考文獻

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