活性炭从废水中去除钒

　　钒的应用在钢铁(92.9%)、化学品(3%)、有色合金(4%)和0.1%的电池生产，但钒被用于当代工业的各种学科。钒基化学材料在陶瓷、颜料、电池和其他产品的制造中广泛用于催化。但是在这些工业中时常发生的带有高浓度钒的废水排放导致土壤和天然水域中，所以我们需要处理后再排放。这次我们通过在活性炭载体上使用纳米级的零价铁来消除饮用水中的砷、钼和锑。当前研究的⽬的是评估利用活性炭载纳米零价铁从水中去除钒的有效性。我们研究了吸附动力学和不同参数对钒去除的影响，例如pH值、溶解氧(DO)和常见离子。

　　活性炭的吸附与解吸测试条件

　　通过使用起始浓度为0.5mg·L-1和1.5g·L-1活性炭的100mL钒溶液进行了一系列研究来描述影响吸附过程的参数，没有正在优化的参数。这是通过考虑溶液的pH值(3、5、7、9和11和活性炭的质量(0、1、1.5和2.0g·L-1)以及吸附动力学来完成的(0-72小时)。当将活性炭添加到混合物中时，使用稀释的NaOH或HCl溶液将pH值调节至中性。在25℃下平衡72小时并在振荡器中获得6.5的pH值后，在通过0.22μm的膜过滤器过滤溶液后进行废水中钒的测量。吸附钒的解吸条件在0.15g活性炭吸附剂和100mL/0.5mgL-1之间进行72小时吸附反应钒溶液，负载钒的活性炭被去除并用预蒸馏水彻底冲洗以去除任何残留的钒溶液。将100mL体积的pH值为13的NaOH与活性炭混合并搅拌12小时。

　　溶液pH对吸附的影响

　　由于溶液的pH值对活性炭的表面电荷和水中钒的形态有直接影响，因此它在污水处理过程中很重要。在低于零电荷点的的pH值下，活性炭的表面带正电荷，这有助于钒阴离子的吸附。合成的活性炭载纳米零价铁的pHZPC被确定为pH7.4，低于该值的表面带正电，有利于阴离子物质的吸附。钒的最大吸附能力通常在pH3-9时获得，如图1所示。在pH<3的溶液中吸附能力差可能归咎于以下三个原因(图1)：阳离子钒(VO2+)和吸附剂表面正电荷之间的吸引力首先是由于在pH<3时溶液中存在作为主要离子实体的阳离子钒(VO2+)。其次，H+可能与VO2+竞争占据活性位点，降低钒吸附总量。第三，由于吸附剂的结构在非常低的pH值下被破坏，吸附的钒被释放到溶液中。多核阴离子种类从吸附剂的活性位点相互作用。因此，通过将生物炭稳定的纳⽶级零价铁用量提高到2.0g/L，钒的去除效率提高到100%，而钒的去除能力从0.6230毫克/克降至0.2500毫克/克。在多项研究中，当活性炭用量增加到一定水平时，去除效率保持不变。这是聚集的结果，导致吸附剂颗粒自结合，或在更高的吸附剂水平下减少吸附剂表面活性位点的使用。这样做的主要用的是防止使用活性炭载纳米零价铁形成聚集体。此外，溶液的pH值通过使用不同剂量的几种吸附剂来改变。用量研究表明，钒与活性炭吸附剂带正电荷的表面基团之间的静电吸引相互作用是吸附阴离子钒的主要原因。当pH大于零电荷点时，吸附剂表面带负电荷。带负电荷的OH-离子在较高pH值(pH>9)下与钒阴离子或吸附位点竞争，从而显着降低吸附能力。需要额外的载体吸附位点，因为在高pH条件下，钒变为单核阴离子。

　　图1：pH值对活性炭载纳米零价铁上钒的吸附。

　　有机离子

　　水和废水中经常含有天然有机物质(NOM)，例如腐殖质。腐殖酸的共存⼲扰了钒的去除，如从97.8%到81.5%的值所见(图2)。得出结论，腐殖质通过与金属离子形成水相络合物来影响金属离子的吸附，促进矿物的溶解，改变分子特征以及特定物质的浓度。金属结合位点和水-矿物界面的长距离静电特性。

　　图2：共存离子对活性炭载纳米零价铁去除钒的影响。

　　活性炭的吸附去除机制

　　当浓度上升，这增强了钒阴离子和活性炭载纳米零价铁之间的静电相互作用。与此类似，存在于Ti掺杂壳聚糖珠表面上的螯合离子可能会质子化以产生带正电荷的Ti4+，从而强烈吸引钒阴离子。除了钒和带电表面之间的直接吸附外，已经观察到整个吸附过程还受到吸附剂表面上吸附物质产生的静电相互作用的关键作用的影响。例如，活性炭表面的阳离子桥可以起到正电荷的作用(图3)。溶液中的Na+可以形成桥。已经证明，像Mg2+和Ca2+这样的二价阳离子能够将吸附剂的负位点转化为正位点，从而充当能够静电吸引钒的桥梁。作为钒吸附的主要作用力之一，带正电的活性炭和阴离子钒之间会产生静电相互作用。溶液pH值对钒吸附的影响已被用作证实吸附过程中存在静电相互作用的证据。更具体地说，质子化和去质子化后的某些表面官能团可导致活性炭的表面电荷响应溶液pH值的变化而发生变化。带电功能和阴离子钒之间的静电接触的结果最直接地受到这种转变的影响。

　　图3：活性炭载纳米零价铁从水中去除钒的机制。

　　活性炭载纳米零价铁的再生

　　在评估吸附剂在现实世界中的潜在用途时，需要考虑的一个关键指标是它们是否可以重复使用。不同浓度的NaOH和HCl是最常用的洗脱液。通过禁用静电吸引在质子化的官能团中，活性炭与酸性和碱性溶液中的钒氧离子之间的排斥使得从合成的吸附剂表面解吸钒氧离子变得更容易。因此，从合成吸附剂中去除钒氧阴离子变得更简单。

　　活性炭从废水中去除钒，通过将纳米零价铁负载到活性炭上来制造吸附剂。批量吸附研究用于测试活性炭吸附剂从模拟水中去除钒的有效性，并且通过合理快速的动力学过程成功去除钒。虽然硫酸盐和腐植酸的影响较小，但磷酸盐或硅酸盐的存在显着降低了钒的去除效率，并且发现Fe2+会增加钒的吸附。经过总共五个吸附-再生循环后，发现吸附容量没有下降，使用稀氢氧化钠(0.1M)可以成功地洗脱和恢复使用过的吸附剂。