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(shí)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(qiáng)度和天然有機(jī)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(jī)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(kuò)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(jī)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(shí)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(jī)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(qiáng)了活性炭在批次實(shí)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(shí)驗

在多點(diǎn)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(shí)驗。間歇實(shí)驗調(diào)查活性炭在劑量為10毫克的L執(zhí)行-1，和分批實(shí)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(diǎn)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(shí)驗以解釋其他P-CDP損失，而不添加吸附劑。所有批次實(shí)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(shí)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(shí)驗的pH(pH = 7)下微污染物的電荷狀態(tài)。

流通實(shí)驗中改進(jìn)的性能歸因于在流通實(shí)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(shí)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(qiáng)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(shí)了一些微污染物在實(shí)驗之間的行為方式非常不同。值得注意的是在分批實(shí)驗中被分類為G4或G5化合物的7個微污染物和在流通實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗中通過疏水相互作用對活性炭表現(xiàn)出更強(qiáng)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(jī)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(jī)物和無機(jī)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(jī)物的替代物)的流通實(shí)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(jī)物和NaCl對跨P-CDP吸收有機(jī)微污染物的影響有限，但是正如預(yù)期的那樣，天然有機(jī)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(qiáng)水和廢水處理系統(tǒng)中的有機(jī)微污染物的去除。盡管費(fèi)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(jī)物和其他基質(zhì)成分污染，但是活性炭是目前不可代替的。