活性炭改性后从水溶液中吸附锑

　　锑是第九大开采金属，用于多种工业产品。为了生产商业锑在冶炼和开采过程，大量的锑被排放到环境中，对水土造成严重污染。长期接触高浓度锑污染的水会产生很多问题，所以需要规范水溶液中的锑含量。离子交换、混凝(共沉淀)、反渗透、生物修复和吸附是目前可用于从水中去除锑(III)的技术。由于其经济和技术优势，吸附是从饮用水中去除锑(III)的常用方法。本期研究了固定在活性炭上的纳米级零价铁在使用和不使用磁性固定床柱反应器的情况下从模拟污染水中去除锑的效果。

　　活性炭相对于纳米级零价铁来说吸附锑的效果差很多，但是由于其在多孔结构和机械强度方面的特性，活性炭可用作支撑材料。活性炭载入纳米级零价铁来进行改性处理，可以用于渗透性反应屏障，以拦截受污染地下水中的锑或添加到家用过滤器中以去除锑(III)。

　　固定床活性炭柱研究

　　我们进行了色谱柱实验，以了解弱磁场是否可用于提高连续流动系统中纳米级零价铁的反应性。设置了两个平行的连续柱系统，内径为10mm(外径=14mm)，高度为200mm，如图1所示。一个柱系统有一系列环形永磁体，最大磁场通量强度约为1800Gs(材料：钕铁硼)，每5.0厘米放置一个环形磁铁。聚甲基丙烯酸甲酯柱填充有10g铁与活性炭(10-20目)的混合物。柱的两端用一小块玻璃棉塞住。图1描述了色谱柱组件和与之配套的实验设计。测试是在25±1℃下完成的。为了获得合适的流速，使用了蠕动泵。锑(III)离子溶液通过铁改性活性炭床向上转移，以确保床完全饱和。为了评估锑(III)吸附去除情况，定期采集流出物样品。

　　图1：连续流系统测试设置的示意图。

　　从柱中取出耗尽的活性炭并保存在250mL烧瓶中进行再生。将悬浮液在25±1℃下以150rpm的速度与NaOH振荡5小时后，该溶液是零价铁/交流量，弃去碱性溶液。用去离子水重复解吸过程四次。

　　污水pH值的影响

　　吸附介质pH值是调节吸附能力的最关键因素。吸附剂吸附位点中的物质与溶液之间相互作用(物理化学)的性质反映在吸附介质的初始pH值上，这与从水吸附到吸附剂表面的机理有关。在保持相同流速、床高和初始浓度的情况下，研究了不同pH水平(pH5至pH9)下pH对穿透时间的影响。

　　图2中归一化浓度与时间的关系图显示了pH值对锑(III)吸附到铁改性活性炭上的影响。pH为5.0时，Ct/C0值在8小时内扩展至0.95，如图2所示。然而，对于pH7和9穿透曲线，该值分别为7小时和6小时。随着进水pH值的增加，穿透曲线从右向左移动，这表明可以去除的锑(III)越少，达到饱和所需的时间越短，并且吸附效率会显着降低。结果表明，随着实验环境中pH值的升高，吸附能力下降。因此，在较低的初始pH值下，从水溶液中更有效地去除锑(III)。酸性介质也能促进改性活性炭中铁离子的释放，导致形成大量氧化铁。因此，铁改性活性炭在pH5时表现出较高的锑(III)去除效率。相比之下，铁改性活性炭中铁的静电吸附能力和释放能力在碱性条件下较弱，因此对锑(III)相对较低。

　　图2：不同pH值下铁改性活性炭介导去除锑(III)的突破曲线。

　　锑(III)的去除机理

　　氧气对锑(III)的氧化非常缓慢。然而，有人声称当零价铁被氧气腐蚀时，会产生强氧化剂，可以氧化各种有机和无机分子。在酸性条件下，两个电子从铁离子表面转移到氧，产生过氧化氢。在低pH值下，过氧化氢与铁离子的相互作用形成羟基自由基(OH-)，而在pH值超过5.0时，它通过反应生成铁(IV)。我们之前的研究发现活性炭对砷(III)的氧化影响比较大。这是因为活性炭表面富含官能团，当砷(III)扩散吸附在活性炭表面时，这些官能团被氧化。此外，因为锑(III)比砷(III)氧化得更快，所以锑(III)可以被活性炭快速氧化。在没有弱磁场的情况下，零价铁介导的锑(III)去除通常由两个时间段组成。基于上述结果和讨论，锑(III)的去除是一个复杂的过程，包括表面吸附和氧化。图3描绘了锑(III)去除的机制。

　　图3：铁改性活性炭加过氧化氢在系统中发生的主要反应以及锑(III)的氧化和螯合机制的说明。

　　活性炭改性后从水溶液中吸附锑，研究描述了在pH5.0-9.0的弱磁场影响下铁改性活性炭对锑(III)的增强螯合。弱磁场的使用通过活性炭在5.0-9.0的pH范围内改善了锑(III)的消失速率常数。零价铁的腐蚀增加是弱磁场引起的锑(III)螯合和氧化增加的原因。固定床柱磁性反应器在改性活性炭去除锑(III)方面优于其非磁性等效物，表明弱磁场可用于改善实际应用中基于活性炭的锑(III)去除。