載鐵活性炭對(duì)飲用水中鹵乙酸的吸附研究

楊遠(yuǎn)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(guò)浸漬-焙燒法制備載鐵活性炭，研究載鐵活性炭（Fe.AC）對(duì)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(duì)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(duì)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?cái)M合三氯乙酸的吸附過(guò)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(lèi)號(hào) S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）16-05201-02

在我國(guó)大部分城市，自來(lái)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(xiǎn)[1]。由美國(guó)水廠協(xié)會(huì)（AWWA）研究基金會(huì)報(bào)道的有關(guān)消毒副產(chǎn)物（DBPs）致癌風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)表明，總DBPs 致癌風(fēng)險(xiǎn)的91.9%由鹵乙酸貢獻(xiàn)，而三鹵甲烷的致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)僅占8.1%，可見(jiàn)對(duì)飲用水中鹵乙酸的去除研究非常重要[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)鹵乙酸處理技術(shù)進(jìn)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(fèi)用高[4]，未經(jīng)改性的活性炭往往吸附性能不佳[5]。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)負(fù)載鐵離子改性顆粒活性炭來(lái)處理水中鹵乙酸，并對(duì)其吸附性能進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 顆粒活性炭預(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(chēng)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?dú)獗Ｗo(hù)氣氛中以300 ℃恒溫焙燒2 h，在氮?dú)獗Ｗo(hù)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(chēng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)采用氣相色譜法測(cè)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(jìn)樣口溫度250 ℃；檢測(cè)器溫度300 ℃；載氣為N2，流速6.0 ml/min。

1.2.1 活性炭對(duì)三氯乙酸的吸附等溫線測(cè)定。該實(shí)驗(yàn)測(cè)定三氯乙酸單吸附質(zhì)條件下活性炭對(duì)三氯乙酸的吸附等溫線，考察活性炭對(duì)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(gè)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?fù)u床中，在25 ℃條件下，150次/min震蕩24 h后取出，用0.45 μm濾膜過(guò)濾，取樣測(cè)定三氯乙酸濃度。對(duì)比實(shí)驗(yàn)為未經(jīng)改性顆粒活性炭，條件相同。

1.2.2 載鐵活性炭對(duì)三氯乙酸的吸附速率的測(cè)定。取6個(gè)細(xì)口瓶，分別準(zhǔn)確稱(chēng)取200 mg載鐵活性炭，依次加入細(xì)口瓶中，加入150 ml含有三氯乙酸的水樣，在25 ℃的恒溫?fù)u床中以150次/min的頻率震蕩吸附。然后每隔一段時(shí)間取出一個(gè)細(xì)口瓶，吸附時(shí)間分別為5、15、25、35、 45、60 min。水樣用0.45 μm濾膜過(guò)濾后，測(cè)定三氯乙酸的濃度，計(jì)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(shí)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(lèi)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(duì)Freundlich公式進(jìn)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(duì)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(duì)三氯乙酸的吸附在初始階段較快，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，吸附速率逐漸降低；2種吸附材料對(duì)比可知，載鐵活性炭對(duì)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(duì)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(duì)活性炭吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)Freundlich方程擬合結(jié)果進(jìn)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(yàn)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(fù)載后活性炭吸附等溫線符合修正的Freundlich等溫式，說(shuō)明載鐵活性炭與其改性前相似。

對(duì)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(duì)三氯乙酸具有更強(qiáng)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(duì)吸附平衡濃度的高度依賴(lài)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(duì)比圖1a和圖2a可以看出，載鐵活性炭對(duì)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(duì)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(qiáng)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。活性炭分為顆粒活性炭和粉末活性炭2種，粉末活性炭因?yàn)楸缺砻娣e大，容易與吸附質(zhì)均勻混合，因而具有極強(qiáng)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?yàn)楸旧砦侥芰τ邢蓿魡为?dú)使用顆粒活性炭，吸附容量低，活性炭不能充分應(yīng)用，且成本高，費(fèi)用高。目前，國(guó)內(nèi)廣泛研究各種顆粒活性炭改性方法眾多，有氧化改性、還原改性、負(fù)載金屬改性等。該實(shí)驗(yàn)采用負(fù)載鐵離子改性顆粒活性炭去除模擬溶液中的三氯乙酸，通過(guò)金屬鹽的負(fù)載，形成活性炭表面的金屬氧化層，添加過(guò)渡金屬不僅可以制備出中孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的活性炭，且過(guò)渡金屬可以顯著增加活性炭的吸附性能。資料表明，經(jīng)過(guò)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(guò)負(fù)載鐵離子，增強(qiáng)對(duì)三氯乙酸的吸附選擇性，提高對(duì)三氯乙酸的吸附容量。該實(shí)驗(yàn)以活性炭為載體，在活性炭表面通過(guò)浸漬-焙燒的方法負(fù)載氧化鐵，研究了載鐵活性炭對(duì)水中三氯乙酸的吸附過(guò)程。

3 結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)采用浸漬-焙燒法制備載鐵活性炭（Fe.Ac），研究載鐵活性炭對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，F(xiàn)e.AC和活性炭對(duì)三氯乙酸的吸附等溫線均符合修正后的Freundlich方程。

參考文獻(xiàn)

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