活性炭吸附水中撲熱息痛的熱力學和動力學研究

劉征 程慧艷 張道龍

摘 要：藥物是重要的新興污染物，對人類健康和水生態系統產生嚴重威脅。通過實驗研究了活性炭吸附撲熱息痛的等溫吸附、吸附熱力學和動力學，結果表明：Freundlich模型能更好地擬合活性炭對撲熱息痛的吸附數據;活性炭吸附撲熱息痛是自發進行的，吸附是吸熱過程;撲熱息痛在活性炭內部的擴散是主要吸附過程，但吸附過程也受其他吸附階段影響。

關鍵詞：活性炭; 撲熱息痛; 等溫吸附; 吸附熱力學; 吸附動力學

中圖分類號：TQ424.1? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號： 1006-3315（2021）2-172-003

近年來，更精密靈敏的分析方法和分析設備的發展使人類開始關注水體中殘留的藥物、個人護理品、食品添加劑和農藥等新興污染物。這些物質通過生活污水、工業廢水和醫療廢水等進入環境，對人類健康和水生態系統造成有害影響[1]。消除這些污染物已成為重要的環境問題之一。新興污染物通常是不可生物降解的，通常無法使用常規（一級、二級和三級）污水處理工藝進行消除[2][3]。

撲熱息痛，也稱對乙酰氨基酚，是全球廣泛使用的鎮痛藥和退燒藥。由于其穩定性高、溶解性和親水性好，已在全世界的地表水、廢水和飲用水中檢測到[4][5]。此類物質的主要處理技術包括好氧降解[6]、臭氧化[7]、光芬頓法[8]和膜過濾[9]等。在眾多處理工藝中，活性炭吸附因其設計簡單、操作靈活和效率高而被廣泛使用[10]。本課題采用椰殼活性炭處理撲熱息痛廢水，研究了等溫吸附、吸附熱力學和動力學，相關結論可為后續中試和工業化應用提供依據。

1.實驗部分

1.1材料與儀器

撲熱息痛為分析純，購自Macklin。椰殼活性炭購自市場，比表面積大于850m2/g。撲熱息痛溶液用蒸餾水配置。

紫外可見分光光度計（島津UV-2700），恒溫搖床（一恒THZ-103B），電子天平（賽多利斯BSA124S）。

1.2實驗方法

吸附熱力學實驗：等溫實驗時，將100mg的活性炭投加到200mL10mg/L、20mg/L和80mg/L撲熱息痛溶液中，放入20℃恒溫搖床中，設置振蕩頻率為200rpm。吸附平衡后取樣，使用0.45μm尼龍過濾頭過濾后，使用紫外可見分光光度計在245nm處測定溶液中撲熱息痛濃度。所有實驗均重復三次。通過式（1）計算撲熱息痛吸附量

式中，C0和Ce（mg/L）分別是撲熱息痛的初始濃度和平衡濃度，V（L）是溶液體積，W（g）是投加活性炭的質量。求解熱力學參數時，撲熱息痛溶液初始濃度為10mg/L，搖床溫度設為30℃和40℃，其他條件同上。

吸附動力學實驗：將100mg的活性炭投加到200mL 10mg/L、20mg/L和80mg/L撲熱息痛溶液中，放入20℃恒溫搖床中，設置振蕩頻率為200rpm。在不同時間間隔下取樣，使用0.45μm尼龍過濾頭過濾后，使用紫外可見分光光度計在245nm處測定溶液中撲熱息痛濃度。通過式（2）計算不同時間撲熱息痛吸附量

式中，C0和Ct（mg/L）分別是撲熱息痛的初始濃度和取樣測定的濃度，V（L）是溶液體積，W（g）是投加活性炭的質量。

2.結果與分析

2.1等溫吸附研究

吸附等溫線描述吸附劑與吸附質的作用機制，通過理論方程或經驗方程對平衡數據進行解釋，可為吸附系統的實際設計和操作提供重要依據。利用最常見的等溫模型Langmuir和Freundlich對平衡數據進行了擬合，等溫模型如表1所示，其相應參數如表2所示。

其中qm（mg/g）表示最大吸附量，Ce（mg/L）表示平衡濃度;KL（L/mg）是Langmuir系數，KF（（mg/g）×（L/mg）1/n）是Freundlich系數，n：是吸附強度。

Langmuir模型適用于單層均質吸附過程，吸附劑表面所有吸附位點對等，其上的吸附質之間無相互作用。Freundlich模型是一個經驗方程，可用于描述了非均質表面的多層吸附。

從表2可知，兩種等溫模型的相關系數R2均不到0.95，Freundlich模型擬合的相關系數R2更大，表明Freundlich模型可能更好地解釋活性炭對撲熱息痛的吸附，活性炭表面是一個非均質系統，存在多層吸附行為。

2.2吸附熱力學

吸附熱力學可以從吸附熱效應角度解釋吸附行為，吸附的吉布斯自由能變化用式（3）表示為

從表3可知，ΔG[?]<0，表示活性炭吸附撲熱息痛是自發進行的，ΔH[?]>0表明吸附是吸熱過程，ΔS[?]>0表明反應過程中固/液界面處的無序性增加。

2.3吸附動力學

采用常用的擬一級模型、擬二級模型和粒子內擴散模型來解釋動力學吸附機理，各模型的方程和作圖方法如表4所示。其中qe是平衡吸附量（mg/g），qt是時刻t的吸附量（mg/g），k1是擬一級速率常數（min-1），k2是擬二級速率常數（g/mg·min），k3是粒子擴散速率常數（mg/g·min1/2），Ci是粒子內擴散模型截距。

吸附動力學模型對實驗數據的擬合結果如圖1、圖2和圖3所示。由圖可知，和擬一級模型、擬二級模型相比，粒子內擴散模型對實驗數據的擬合更好，所有初始濃度的相關系數均大于0.97。這表明，撲熱息痛在活性炭內部的擴散是主要吸附過程。同時，所有粒子內擴散模型擬合直線均不過原點，說明粒子內擴散并不是限制步驟，吸附過程也受其他吸附階段影響。

3.結論

研究了活性炭吸附撲熱息痛的等溫吸附、吸附熱力學和動力學，發現：

（1）Freundlich模型可能更好地解釋活性炭對撲熱息痛的吸附，所用活性炭表面是一個非均質系統，存在多層吸附行為。

（2）活性炭吸附撲熱息痛是自發進行的，吸附是吸熱過程。

（3）撲熱息痛在活性炭內部的擴散是主要吸附過程，但吸附過程也受其他吸附階段影響。

基金項目：廈門理工學院科研攀登計劃（XPDKQ19015，XPDKT20015），福建省中青年教師教育科研項目（科技類）

參考文獻：

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