活性炭怎么從水和廢水中去除微污染物？

活性炭從水和廢水中去除微污染物,這是一項具有成本效益和能源效率的挑戰(zhàn)。。本研究的目的是評估活性炭和多孔β-環(huán)糊精聚合物(P-CDP)作為微污染物在水生基質(zhì)中的吸附性能。在批處理和流通實驗中測量了83個微污染物在環(huán)境相關(guān)濃度(1μgL -1)和pH，離子強度和天然有機物濃度梯度下的混合物的吸附動力學(xué)和微污染物去除率。表現(xiàn)以活性炭為基準(zhǔn)。

全球有數(shù)千種人為有機化學(xué)物質(zhì)出現(xiàn)在地表水和地下水資源中。(這些所謂的微污染物引起了各種利益相關(guān)者的關(guān)注，因為接觸這些污染物可能對水生生態(tài)系統(tǒng)和/或人類健康構(gòu)成重大風(fēng)險。例如，盡管微污染物通常以低濃度(大約為μgL -1或更低)存在于水資源中，盡管濃度很低但是還是能影響到水生生物的內(nèi)分泌系統(tǒng)。常規(guī)的水和廢水處理過程不能充分去除許多極性和半極性的微污染物。這種缺陷激發(fā)了在水或廢水處理過程中去除微污染物的高級處理過程的發(fā)展。先進(jìn)的氧化和活性炭吸附由于其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可擴展性而引起了最大的關(guān)注，(雖然也考慮了膜過濾和反滲透。(先進(jìn)的氧化工藝減少了微污染物的負(fù)荷，但是耗能大，依靠化學(xué)試劑，并可能形成保留有毒活性的氧化產(chǎn)物。活性炭吸附工藝也有效地去除了有機微污染物，粉狀活性炭工藝已成為水和廢水處理的首選。活性炭吸附完全去除微污染物而不形成氧化副產(chǎn)物，導(dǎo)致殘留毒性的更大降低。然而，活性炭吸附過程比高級氧化更昂貴，因為實現(xiàn)類似處理目標(biāo)所需的大劑量活性炭以及活性炭回收和再生的能力需求。

圖1.水中和廢水中的微污染物。

一些研究集中于提高為微污染物去除設(shè)計的吸附過程的效率。吸附動力學(xué)已經(jīng)被認(rèn)為是影響吸附劑劑量，所需接觸時間以及因此影響吸附處理過程的生命周期成本和產(chǎn)量的基本性質(zhì)。例如，超細(xì)粉狀活性炭作為加速飲用水中吸附過程和廢水處理的手段已經(jīng)被探索。超細(xì)粉狀活性炭表面積的增加可以大大提高微污染物吸附動力學(xué)。但是超細(xì)粉狀活性炭也與天然有機物快速相互作用，限制了微污染物在天然水體中的吸附能力。也已經(jīng)探索了替代吸附劑，包括碳質(zhì)樹脂，高硅沸石，粉煤灰，殼聚糖，礦石礦物，多壁碳納米管和合成聚合物樹脂。這些材料在吸附動力學(xué)，吸附能力和防污性能方面都沒有超過活性炭。

吸附劑的準(zhǔn)備

活性炭、合成的P-CDP顯示為平均粒度為50-60μm量級的淡黃色粉末。為了增加P-CDP和活性炭之間粒徑的相似性，用研缽和研杵將活性炭粉碎直至> 95%(質(zhì)量)通過74-μm篩(200US目)。保留在篩上的活性炭通過篩的活性炭再混合，以獲得無偏差的混合物，并防止兩個部分之間的任何物理化學(xué)差異，如先前所述。該過程增強了活性炭在批次實驗中的吸附動力學(xué)。將P-CDP和粉碎的活性炭在干燥器中在真空下干燥1周，并儲存在4℃的冰箱中。

批量實驗

在多點攪拌器上在具有磁攪拌棒的125mL玻璃錐形瓶中在23℃下以400rpm(rpm)的攪拌速率進(jìn)行批量實驗。間歇實驗調(diào)查活性炭在劑量為10毫克的L執(zhí)行-1，和分批實驗調(diào)查P-CDP物在劑量為10毫克的L執(zhí)行-1和50毫克的L -1。國會議員摻加產(chǎn)生1微克升每吸附物的初始濃度-1。吸附劑和被吸附劑的劑量是根據(jù)以前研究在相同活性炭上微污染物吸收量來選擇的。還應(yīng)注意的是，這些吸附劑和吸附劑劑量導(dǎo)致P-CDP結(jié)合位點的過量，因此在這些研究中競爭性吸附不被認(rèn)為是重要的。為了恢復(fù)真空干燥的吸附劑的全部容量，將10mg吸附劑加入到20mL含有超純水(10mL)的琥珀色小瓶中以產(chǎn)生1gL -1懸浮液。將懸浮液與渦旋混合器混合30秒，超聲處理1分鐘以破碎小的聚集體，然后在多轉(zhuǎn)子攪拌器上以360rpm攪拌30分鐘。在這個恢復(fù)過程之后，適量的超純水，分析MP混合物(100μgL -1)和吸附劑懸浮液(1 g L -1)依次加入到各燒瓶中。以預(yù)定采樣時間(0,0.05,0.17,0.5,1,5,10,30,60,90,120分鐘)以8mL體積收集樣品，并通過0.22μm針筒式過濾器過濾。在相同的條件下進(jìn)行控制實驗以解釋其他P-CDP損失，而不添加吸附劑。所有批次實驗(包括對照)進(jìn)行五次重復(fù)。

圖2.比較在(A)等效質(zhì)量基礎(chǔ)和(B)等效表面積基礎(chǔ)上進(jìn)行的批量實驗測量的每種微污染物與P-CDP或活性炭接觸5分鐘后的百分比去除率。每個面板中的誤差線代表五次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。顏色表示在進(jìn)行實驗的pH(pH = 7)下微污染物的電荷狀態(tài)。

流通實驗中改進(jìn)的性能歸因于在流通實驗中吸附劑質(zhì)量與處理水體積的比率接近四倍，或者在流通實驗中每種吸附劑與吸附劑之間更好的接觸。相比之下，活性炭觀察到的增強的表現(xiàn)并不像系統(tǒng)性的那樣。這種關(guān)系的非單調(diào)性證實了一些微污染物在實驗之間的行為方式非常不同。值得注意的是在分批實驗中被分類為G4或G5化合物的7個微污染物和在流通實驗中被分類為G1或G2化合物。有趣的是，這些都是中性pH下帶正電的分子。由于在活化期間形成的氧化物的存在，通常預(yù)期活性炭攜帶負(fù)表面電荷，所以在流通實驗中觀察到的行為與靜電相互作用的期望是一致的。目前還不清楚為什么活性炭在批次實驗中表現(xiàn)出對微污染物吸收不良，盡管這可能是由于在較長的批次實驗中通過疏水相互作用對活性炭表現(xiàn)出更強的親和力而取代了正電荷微污染物。

活性炭作為吸附劑的主要缺陷之一是其易受天然有機物和其他基質(zhì)成分污染。因此，我們評估了兩種吸附劑在天然有機物和無機離子存在下的性能。我們重復(fù)了在2mg / L和200mg / L之間的濃度以及在2mg / L和2000mg / L之間的濃度的NaCl下以腐殖酸的梯度(作為天然有機物的替代物)的流通實驗。這些數(shù)據(jù)分別在P-CDP和活性炭的SI的圖S10和S11中給出和討論。結(jié)果表明，天然有機物和NaCl對跨P-CDP吸收有機微污染物的影響有限，但是正如預(yù)期的那樣，天然有機物和NaCl對活性炭吸收微污染物的重要影響。

活性炭對水處理的影響

需要具有成本效益和節(jié)能技術(shù)來加強水和廢水處理系統(tǒng)中的有機微污染物的去除。盡管費用昂貴，但活性炭吸附過程已經(jīng)成為一種主要的替代方法，盡管活性炭受到一些其他因素導(dǎo)致相對緩慢的吸附動力學(xué)的限制，并且傾向于被天然有機物和其他基質(zhì)成分污染，但是活性炭是目前不可代替的。