活性炭吸附去除水中的硼

　　硼是一种微量元素，由于其原子半径小和高电离能，在自然界中倾向于通过共价键形成化合物。水溶液中的硼通常以多硼酸盐阴离子物质、中性硼酸分子和单带负电荷的硼酸盐的形式存在。在pH6-9范围内，低浓度硼主要以中性硼酸分子和单电荷硼酸根阴离子的形式存在于水溶液中。硼酸易溶于水所以很容易就会污染水环境，本次的研究是使用活性炭进行改性研究对硼的吸附。

　　硼通过矿物提取、煤炭燃烧、含硼砂产生的清洁剂的废水排放、硼肥等应用以及硼化物处理的木材的副燃烧进入水环境(图1)。由于人类活动的影响，已经观察到地下水和地表水中的硼浓度增加。硼在水生环境中的存在会对环境造成很大的影响。但从工业设施对硼的需求增加，水资源中硼的含量增加，水质标准变得更加严格。所以需要去除水中的硼来修复环境。脱硼方法包括膜分离、活性炭吸附、(电)凝聚和沉淀、萃取以及这些方法的组合。

　　图1：水中硼污染的各种来源。

　　吸附技术

　　吸附技术涉及将硼从水中转移到活性炭表面。根据吸附原理，吸附可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附主要基于范德华力，而化学吸附主要基于硼与吸附剂表面的官能团之间形成共价键或离子键。在实际应用中，去除硼的化学吸附技术由于其对背景阴离子和阳离子的浓度不敏感且具有良好的选择性而占据主导地位。吸附通常用于处理高浓度硼溶液，例如工业废水和卤水。海水中硼的浓度较低，因此需要较长的吸附平衡时间。

　　硼的毒性作用

　　硼是自然界七大必需微量元素之一，少量的硼摄入有利于植物细胞膜保持其结构和功能的完整性，并维持正常的发育和物质运输。硼不仅是生物体必需的微量元素，也是许多工业的重要原料，如制造业和农业。根据近期的统计数据，仅硼酸盐就有300多种应用，全球四分之三以上的硼消耗量来自陶瓷、洗涤剂、化肥和玻璃(图2)。在生产过程中，硼酸盐是制造各种特殊玻璃和陶瓷的主要成分。在高级玻璃和玻璃纤维的生产中使用硼硅酸盐可以提高玻璃的耐热性和透明度，有利于提高其化学稳定性以及抗机械和热冲击的能力。在瓷釉中加入硼可以防止脱釉和开裂，提高产品的光泽度和耐久性。在瓷体中加入硼酸盐有利于降低能耗，提高产品的机械强度。硼还用于生产微合金锻钢并提高钢的冲击强度。在农业领域，硼被用于生产含硼化肥等产品。但是灌溉水中的硼含量升高会直接导致动植物中毒造成危害，所以一定要控制排放。

　　图2：各行业硼消耗比例。

　　碳基材料除硼对比

　　碳基材料作为吸附剂，具有可用性高、环境友好、吸附能力强等优点。常见的碳基材料包括活性炭、氧化石墨烯和碳纳米管。活性炭具有发达的孔隙和巨大的比表面积，是水处理领域应用最广泛的吸附剂之一。活性炭擅长吸附非极性物质，吸附极性吸附物(如硼)时表现不佳。因此，需要修改以使活性炭能够加强硼的吸附，我们比较了七种不同活性炭对硼的吸附性能，研发了一款活性炭具有最佳的除硼效率。为了进一步提高其吸附能力，活性炭用多元螯合物(甘露醇、木糖醇和葡萄糖酸钠)进行了改性。用甘露醇修饰的活性炭表现最有效。硼去除效率的提高是由于多元螯合物的改性增加了活性炭的孔体积并增加了表面羟基官能团的数量。经过长时间的测试分析得出，在静态体系中，酒石酸浸渍的活性炭的硼吸附能力最强，而在动态体系中，甘露醇浸渍的活性炭的硼吸附能力最强。活性炭价格便宜，易得，使用效果好。

　　氧化石墨烯在其表面具有丰富的亲水基团(例如羟基和环氧羧基)，这使其具有用作硼吸附剂的潜力。与传统的活性炭相比，碳纳米管具有更高的比表面积、强度、柔韧性和结构均匀性。比较了活性炭和用聚乙烯醇改性的纳米碳管对硼的吸附性能。由于聚乙烯醇分子结构中含有羟基，用PVA改性可以提高吸附剂的吸附能力。然而，聚乙烯醇改性引起了活性炭微孔的明显堵塞，而纳米炭管的孔被较少堵塞。结果还表明，聚乙烯醇改性的活性炭和纳米碳管的硼吸附能力随着pH值的增加而增加。

　　活性炭吸附去除水中的硼，我们对比了多种活性炭材料，测试出了一款高性能硼吸附专用活性炭。并且对活性炭进行了多种改性处理，根据吸附工况测试了动态和静态情况下活性炭对水中硼的吸附效果。发现活性炭在经过改性处理后能很好的除硼，并且动态和静态吸附环境下改性的方法也不一样，这为工业上除硼提供了一些参考。