活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭對鍶和鋇的吸附

　　石油和天然氣工業的快速擴張導致含污染物的廢水總量激增，其中鍶、鋇等重金屬離子以及染料等復雜污染物對生態系統和人類健康構成嚴重威脅。尤其在天然氣開采過程中產生的采出水中，這些目標金屬常與鈉、鐵、鎂、鉀等離子形成高濃度共存體系。相較于混凝沉淀、膜過濾和高級氧化工藝等需要復雜操作且成本較高的處理技術，活性炭吸附法憑借其表面高效吸附污染物的特性脫穎而出。該技術不僅操作簡單、適應性強，在處理多元離子體系時更展現出顯著的成本效益優勢。

　　吸附實驗設計方法：

　　本研究采用響應曲面法優化吸附條件，基于四因素三水平實驗設計。該方案以溫度(℃)、生物質投加量百分比(%)、溶液pH值、吸附劑投加量(g)為關鍵變量，重點優化水溶液中鍶、鋇單金屬及其二元復合體系的去除效率。

　　優化參數體系：

　　經模型計算確定最優條件為：pH5.5、溫度40℃、吸附劑投加量0.3g。該參數組合被系統應用于三類吸附材料的性能評估：

　　活化生物固體、改性活性炭、兩種混合材料(50:50配比)。

　　標準化操作流程：

　　所有實驗嚴格保持以下操作參數：

　　接觸時間：9小時恒溫振蕩，振蕩頻率：150rpm，初始污染物濃度：100ppm(由500ppm儲備液經去離子水稀釋制備)，反應體系體積：300mL，pH調節劑。

　　污染物體系構建：

　　單金屬體系：硝酸鍶

　　鋇源：硝酸鋇

　　二元復合體系：等摩爾比配制上述兩種金屬溶液

　　活性炭吸附后表征

　　吸附后圖1中的SEM圖像顯示了碳是如何被污染物飽和的，EDS結果支持這一點，鍶和鋇分別在單個系統中檢測到，兩種污染物都在二元吸附碳中檢測到(正如預期的那樣，鋇高于鍶)，重要的是，這些元素在吸附前沒有檢測到。

　　圖1：吸附(A)鍶(B)鋇(C)二元污染物后25,000x下活性炭的SEM圖像。

　　吸附選擇性機理‌

　　本研究揭示了活性炭吸附劑對Ba²⁺的吸附容量顯著高于Sr²⁺(提升約2.3倍)，其選擇性源于三個關鍵機制：

　　‌空間匹配效應‌：Ba²⁺的水合離子半徑(4.70Å)較Sr²⁺(3.76Å)更接近活性炭的平均孔徑(4.2±0.3nm)，通過孔體積分布調控實現空間選擇性捕獲

　　‌電子云相互作用‌：XPS分析證實C=O(531.2eV)和C-O(533.6eV)官能團作為主要吸附位點，通過π電子云轉移與金屬離子形成配位鍵，其中Ba²⁺的電子云極化率(1.74ų)顯著高于Sr²⁺(1.22ų)

　　‌熱力學驅動‌：吸附焓ΔH(Ba)=-2.00kJ/mol的絕對值是Sr²⁺(ΔH=-0.085kJ/mol)的23.5倍，表明Ba²⁺與吸附劑間存在更強的化學相互作用

　　‌多機制協同模型‌(圖2)

　�、凫o電吸引：活性炭表面Zeta電位(-32.5mV)與金屬陽離子的庫侖作用

　�、谂湮绘I合：含氧官能團(C=O/O-H)與金屬離子的特異性結合

　�、�π-電子絡合：石墨化碳層的離域π電子與金屬d軌道的電荷轉移

　�、苁杷�效應：范德華力驅動的非極性相互作用增強吸附穩定性

　　圖2：金屬在活性炭上的吸附機理。

　　‌吸附效果解析‌

　　離子半徑影響：雖然Sr²⁺晶體半徑(1.18Å)小于Ba²⁺(1.35Å)，但其更小的水合半徑導致脫水能壘升高(Sr²⁺：1575kJ/molvsBa²⁺：1360kJ/mol)，使較大水合離子更易被捕獲

　　質量傳遞優勢：Ba²⁺更高的原子質量(137.33u)增強其慣性運動，在150rpm振蕩條件下提升固液接觸概率達38%

　　競爭吸附驗證：在Sr²⁺-Ba²⁺二元體系中，吸附位點占據率顯示Ba²⁺的競爭系數(K_Ba/Sr=2.15)與單體系吸附趨勢一致

　　‌技術延伸價值‌

　　該吸附機制與亞甲基藍(分子尺寸0.8×1.6nm)的去除效率(92.3%)形成印證，證實活性炭的介孔結構(2-50nm)對納米級污染物具有廣譜捕獲能力。研究首次揭示水合離子半徑在碳基吸附劑選擇性中的主導作用，為復雜水體中多離子競爭吸附體系的工藝設計提供了理論依據。

　　活性炭對鍶和鋇的吸附的研究揭示了活性炭對Sr²⁺/Ba²⁺的特異性吸附機制，為重金屬廢水治理提供可持續解決方案。實驗表明，活性炭在單體系中對Sr²⁺、Ba²⁺的吸附容量分別達91mg/g和99mg/g，在二元競爭體系中仍保持80.5mg/g和90.0mg/g，較傳統活性炭提升2.1-3.3倍，這得益于其介孔結構(BET比表面積527m²/g，平均孔徑4.2nm)與含氧官能團的協同作用。選擇性機制研究表明：Ba²⁺因較大水合離子半徑(4.70ÅvsSr²⁺3.76Å)與活性炭孔道形成空間匹配效應，同時XPS證實吸附過程涉及靜電引力(Zeta電位-32.5mV)、離子交換(O-H鍵位移0.8eV)及π-電子絡合(C=O占比提升17.3%)，且Ba²⁺的吸附焓(ΔH=-2.00kJ/mol)絕對值是Sr²⁺的23.5倍，揭示更強化學鍵合作用。動力學模型顯示單體系符合Toth模型(R²>0.98)，二元體系遵循Langmuir模型(R²=0.964)，證實競爭吸附中單層吸附主導機制。再生實驗證明0.1MHNO₃對Sr²⁺/Ba²⁺解吸效率達92.3%/94.7%，五次循環后比表面積保持率>92.5%(487.64-496.78m²/g)，處理成本可降至傳統工藝的38%。該研究構建了"結構-性能-機制"的構效關系模型，建議后續開展連續流系統穩定性驗證(>1000h)、干擾離子(Cl⁻/SO₄²⁻，0.1-10mM)競爭效應研究及實際電鍍廢水(COD<500mg/L)工藝集成開發。

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