微波辐助改性煤基活性炭及对多环芳烃吸附性能研究

摘要

多环芳烃（PAHs）是环境普遍存在的一类持久性有机污染物，由于其具有高毒性、难降解等特征，对环境已产生严重危害，故选择合适方法和工艺处理水体中PAHs污染物具有重要意义。煤基活性炭（CAC）作为一种吸附剂，可去除水中的PAHs，但存在吸附性能差等问题。故本文以新疆煤为原料，采用微波法制备煤基活性炭（CAC），然后为了提高其吸附性能，利用微波辅助方法进行改性工艺的优化，调控CAC表面结构和化学性质，并对典型的PAHs（萘、菲、芘）污染物进行吸附性能研究，结果如下：
　　微波辅助改性利用微波加热优势，研究不同微波时间和微波功率对改性效果的影响，获得改性最佳工艺为微波时间8 min，微波功率500 W。对不同微波功率下改性样品表征实验表明，改性后M-CACs样品表面孔增多；碳元素相对含量从CAC的74.67增加到M-CAC-500W的80.67，对应的氧元素含量从23.04降低到16.65；且其比表面积由671.88 m2/g增加到1061.95 m2/g，总容积由0.38 cm3/g增加到0.61 cm3/g；改性后M-CACs表面C=O含量增加，C-O、R-O*-C=O和O*=C-OH含量都降低，且表面酸性降低，表面碱性增加，pHPZC值降低。M-CACs对萘的吸附是自发的、放热反应，在20 min左右就可达到吸附平衡，且随着温度增加吸附量降低，属于多分子层吸附；M-CAC-500W样品具有很好的可再生性和稳定性。
　　通过单因素实验，测定了对碘和亚甲基蓝的吸附，获得微波辅助硝酸改性CAC最佳工艺条件为硝酸浓度20％，硝酸改性时间16 h，微波时间8 min，微波功率500 W。改性后的MN-CAC-16h表面分布更多的孔，有较高比表面积，表面含氧官能团从1.19 mmol/g降低到0.087 mmol/g，而表面碱性从0.14 mmol/g增加到0.45 mmol/g，pHPZC值由7.98增加到8.20。改性后样品对萘和菲的吸附量随平衡浓度的增加而增大，且20 min就可达到吸附平衡，吸附属于多分子层吸附，符合拟二级动力学模型。
　　微波辅助不同金属盐改性剂改性，获得最佳改性剂为硝酸铁，其工艺为硝酸铁浓度0.05 M，微波时间5 min，微波功率300 W。改性后0.05Fe-MCAC样品由于铁具有较高的活性，负载在其表面使孔隙变得更加发达，主要为中孔结构，平均孔径由CAC的3.111 nm增加到0.05Fe-MCAC的3.816 nm；FTIR分析中出现了Fe-O的伸缩振动，且测定了铁的负载量为0.135 mmol/g。改性后的样品对萘、菲、芘的吸附量为芘＞菲＞萘；低温有利于吸附PAHs，属于物理吸附。
　　微波辅助氨水改性CAC的最佳工艺条件为氨水浓度10%，改性温度35℃，处理时间18 h，微波时间8 min，微波功率500 W。改性后样品表面含C量显著增加，含O量显著降低，C/O值增加，N元素含量增大；表面含氧官能团被移除，碱性特征增加；平均孔径由CAC的3.111 nm增加到A-CAC的3.825 nm，M-CAC的3.830 nm，MA-CAC的3.831 nm，总孔容积分别增加了5.70%，45.0%和102.04%。对芘的吸附量显著增加，尤其是性能好的MA-CAC样品。
　　改性后的CAC孔隙结构发达，比表面积增加，平均孔径增加，表面酸性降低（酚羟基、内酯基、羰基含量都降低），且碱性增加。对萘、菲、芘的吸附量随着苯环数增加而增加；CAC对萘、菲、芘吸附现象符合Langmuir模型；而改性后的CAC样品对萘、菲、芘的吸附，符合Fredulich模型，吸附效果更佳；且都符合拟二级动力学模型，存在化学作用。改性前后的CAC样品对PAHs的吸附过程是自发的、放热反应，低温有利于吸附PAHs污染物，且为物理吸附。微波辅助改性CAC是一种有效的改性技术，提高了对PAHs的吸附性能，具有广阔的市场前景和应用价值。