活性炭吸附2-甲基异冰片和光催化

　　在水域中产生味道和气味的化合物由三种主要分类群作为异味次级代谢产物产生：(1)蓝藻、(2)放线菌和(3)真菌，并且存在于多达50%的湖泊/水库。2-甲基异冰片是一种常见的由异味次级代谢产物引起的味道和气味化合物，是饮用水公用事业中常见的物质。由于饮用水厂的气味阈值非常低，常见的水处理工艺在去除2-甲基异冰片方面表现不佳 。因此，2-甲基异冰片通常通过包括活性炭吸附和高级氧化工艺在内的高级处理工艺去除。

　　由于活性炭的多种有利特性，例如微孔结构、高吸附能力以及特殊的表面反应性。并且在多项研究表明，使用粉状活性炭和颗粒状活性炭可以很好的去除2-甲基异冰片。然而，由于会在吸附剂上形成生物膜，天然有机物的存在导致活性炭的吸附能力降低。本研究的目的有制备纳米复合材料 (活性炭载二氧化钛) 以在紫外光照射下降解2-甲基异冰片，评估天然有机物对吸附的影响。分析活性炭去除效率与光催化剂用量之间的关系来研究解决水中的污染。

　　活性炭的载钛和分析

　　活性炭载二氧化钛是通过溶胶-凝胶法合成的。在室温下，将待载溶解在无水乙醇中，然后将冰醋酸缓慢加入浆液中。用浓盐酸将溶液的pH值调至2-3。随后，悬浮液在室温下搅拌30分钟并超声10分钟得到改性活性炭。SEM图像及其对活性炭和载二氧化钛活性炭的EDX分析如图1所示。可以清楚地看到活性炭具有不规则的多孔结构，分布密度高。EDX上的元素映射表明C、O和Au的百分比分别为77.77%、27.57%和0.66%。应该注意的是，Au主要来自用于增强导电性的镀金膜。发现二氧化钛颗粒分散在活性炭的表面。此外，在载二氧化钛的活性炭上可观察到粗糙的多孔结构，证实了二氧化钛在活性炭表面形成。

　　图1：活性炭(a、c)和二氧化钛载活性炭(b、d)的SEM图像和EDX分析。

　　光降解性能

　　研究了活性炭和载钛活性炭在紫外线照射下对2-甲基异冰片的光降解，结果如图2a所示。如图2a所示，活性炭可以在黑暗中从水溶液中去除约49.4%的2-甲基异冰片，而载钛活性炭可以从水中吸附约35.3%的2-甲基异冰片。此外，在没有催化剂的情况下，2-甲基异冰片在紫外光下的降解速度很慢。活性炭和载钛活性炭都可以在紫外光下快速去除2-甲基异冰片。活性炭和载钛活性炭对2-甲基异冰片的降解效率随时间增加，直到约3小时后达到平衡。此外，很明显，载钛活性炭在180分钟内获得了97.8%的降解效率，而活性炭的降解效率仅为65.4%。

　　图2：活性炭和载钛活性炭在蒸馏水中光催化降解2-甲基异冰片的(a)去除效率和(b)动力学。

　　天然有机物对光降解性能的影响

　　天然有机物的主要成分是腐植酸和单宁酸，因为它们普遍存在于各种天然水中。图3显示了从蒸馏水和天然有机物水中消除2-甲基异冰片的情况，这取决于光降解前后催化剂的用量。如图3a所示，发现两种催化剂在天然有机物水中的去除更接近。然而，腐植酸和单宁酸的存在导致活性炭和载钛活性炭对2-甲基异冰片的吸附能力显着降低。此外，为了达到气味阈值浓度值，两种催化剂在低天然有机物浓度的水中所需的剂量比在蒸馏水中增加了大约一倍。这种现象表明天然有机物和2-甲基异冰片之间对于两种催化剂的活性位点存在竞争关系。同时，值得注意的是，当微生物分子接近模型污染物时，竞争吸附最强。然而，在光降解后，载钛活性炭对2-甲基异冰片的去除效率显着提高(图3b)。

　　图3：2-甲基异冰片的(a)吸附去除效率和(b)光催化降解。

　　本次我们通过溶胶-凝胶法制备了一种新型光催化剂。此外，其制备工艺简单，原材料价格低廉。我们的工作致力于对活性炭和载钛活性炭对水中2-甲基异冰片的吸附和光催化行为进行比较研究。吸附实验表明，与活性炭相比载钛活性炭对蒸馏水中的2-甲基异冰片表现出更好的光催化性能。紫外可见光谱表明活性位点的直接竞争被确定为天然有机物效应的主要机制。这种竞争现象在实际的水环境中可能更加明显，因为天然有机物是由各种有机化合物组成的。此外，由于实际水域中参数值只有微小差异。该研究对于开发对包括2-甲基异冰片在内的有机污染物具有很好吸附和光催化性能的新型复合光催化剂具有重要意义。