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活性炭怎么从水和废水中去除微污染物?

活性炭从水和废水中去除微污染物,这是一项具有成本效益和能源效率的挑战。。本研究的目的是评估活性炭和多孔β-环糊精聚合物(P-CDP)作为微污染物在水生基质中的吸附性能。在批处理和流通实验中测量了83个微污染物在环境相关浓度(1μgL -1)和pH,离子强度和天然有机物浓度梯度下的混合物的吸附动力学和微污染物去除率。表现以活性炭为基准。

全球有数千种人为有机化学物质出现在地表水和地下水资源中。(这些所谓的微污染物引起了各种利益相关者的关注,因为接触这些污染物可能对水生生态系统和/或人类健康构成重大风险。例如,尽管微污染物通常以低浓度(大约为μgL -1或更低)存在于水资源中,尽管浓度很低但是还是能影响到水生生物的内分泌系统。常规的水和废水处理过程不能充分去除许多极性和半极性的微污染物。这种缺陷激发了在水或废水处理过程中去除微污染物的高级处理过程的发展。先进的氧化和活性炭吸附由于其技术和经济可扩展性而引起了最大的关注,(虽然也考虑了膜过滤和反渗透。(先进的氧化工艺减少了微污染物的负荷,但是耗能大,依靠化学试剂,并可能形成保留有毒活性的氧化产物。活性炭吸附工艺也有效地去除了有机微污染物,粉状活性炭工艺已成为水和废水处理的首选。活性炭吸附完全去除微污染物而不形成氧化副产物,导致残留毒性的更大降低。然而,活性炭吸附过程比高级氧化更昂贵,因为实现类似处理目标所需的大剂量活性炭以及活性炭回收和再生的能力需求。

图1.水中和废水中的微污染物。

一些研究集中于提高为微污染物去除设计的吸附过程的效率。吸附动力学已经被认为是影响吸附剂剂量,所需接触时间以及因此影响吸附处理过程的生命周期成本和产量的基本性质。例如,超细粉状活性炭作为加速饮用水中吸附过程和废水处理的手段已经被探索。超细粉状活性炭表面积的增加可以大大提高微污染物吸附动力学。但是超细粉状活性炭也与天然有机物快速相互作用,限制了微污染物在天然水体中的吸附能力。也已经探索了替代吸附剂,包括碳质树脂,高硅沸石,粉煤灰,壳聚糖,矿石矿物,多壁碳纳米管和合成聚合物树脂。这些材料在吸附动力学,吸附能力和防污性能方面都没有超过活性炭。

吸附剂的准备

活性炭、合成的P-CDP显示为平均粒度为50-60μm量级的淡黄色粉末。为了增加P-CDP和活性炭之间粒径的相似性,用研钵和研杵将活性炭粉碎直至> 95%(质量)通过74-μm筛(200US目)。保留在筛上的活性炭通过筛的活性炭再混合,以获得无偏差的混合物,并防止两个部分之间的任何物理化学差异,如先前所述。该过程增强了活性炭在批次实验中的吸附动力学。将P-CDP和粉碎的活性炭在干燥器中在真空下干燥1周,并储存在4℃的冰箱中。

批量实验

在多点搅拌器上在具有磁搅拌棒的125mL玻璃锥形瓶中在23℃下以400rpm(rpm)的搅拌速率进行批量实验。间歇实验调查活性炭在剂量为10毫克的L执行-1,和分批实验调查P-CDP物在剂量为10毫克的L执行-1和50毫克的L -1。国会议员掺加产生1微克升每吸附物的初始浓度-1。吸附剂和被吸附剂的剂量是根据以前研究在相同活性炭上微污染物吸收量来选择的。还应注意的是,这些吸附剂和吸附剂剂量导致P-CDP结合位点的过量,因此在这些研究中竞争性吸附不被认为是重要的。为了恢复真空干燥的吸附剂的全部容量,将10mg吸附剂加入到20mL含有超纯水(10mL)的琥珀色小瓶中以产生1gL -1悬浮液。将悬浮液与涡旋混合器混合30秒,超声处理1分钟以破碎小的聚集体,然后在多转子搅拌器上以360rpm搅拌30分钟。在这个恢复过程之后,适量的超纯水,分析MP混合物(100μgL -1)和吸附剂悬浮液(1 g L -1)依次加入到各烧瓶中。以预定采样时间(0,0.05,0.17,0.5,1,5,10,30,60,90,120分钟)以8mL体积收集样品,并通过0.22μm针筒式过滤器过滤。在相同的条件下进行控制实验以解释其他P-CDP损失,而不添加吸附剂。所有批次实验(包括对照)进行五次重复。

图2.比较在(A)等效质量基础和(B)等效表面积基础上进行的批量实验测量的每种微污染物与P-CDP或活性炭接触5分钟后的百分比去除率。每个面板中的误差线代表五次测量的标准偏差。颜色表示在进行实验的pH(pH = 7)下微污染物的电荷状态。

流通实验中改进的性能归因于在流通实验中吸附剂质量与处理水体积的比率接近四倍,或者在流通实验中每种吸附剂与吸附剂之间更好的接触。相比之下,活性炭观察到的增强的表现并不像系统性的那样。这种关系的非单调性证实了一些微污染物在实验之间的行为方式非常不同。值得注意的是在分批实验中被分类为G4或G5化合物的7个微污染物和在流通实验中被分类为G1或G2化合物。有趣的是,这些都是中性pH下带正电的分子。由于在活化期间形成的氧化物的存在,通常预期活性炭携带负表面电荷,所以在流通实验中观察到的行为与静电相互作用的期望是一致的。目前还不清楚为什么活性炭在批次实验中表现出对微污染物吸收不良,尽管这可能是由于在较长的批次实验中通过疏水相互作用对活性炭表现出更强的亲和力而取代了正电荷微污染物。

活性炭作为吸附剂的主要缺陷之一是其易受天然有机物和其他基质成分污染。因此,我们评估了两种吸附剂在天然有机物和无机离子存在下的性能。我们重复了在2mg / L和200mg / L之间的浓度以及在2mg / L和2000mg / L之间的浓度的NaCl下以腐殖酸的梯度(作为天然有机物的替代物)的流通实验。这些数据分别在P-CDP和活性炭的SI的图S10和S11中给出和讨论。结果表明,天然有机物和NaCl对跨P-CDP吸收有机微污染物的影响有限,但是正如预期的那样,天然有机物和NaCl对活性炭吸收微污染物的重要影响。

活性炭对水处理的影响

需要具有成本效益和节能技术来加强水和废水处理系统中的有机微污染物的去除。尽管费用昂贵,但活性炭吸附过程已经成为一种主要的替代方法,尽管活性炭受到一些其他因素导致相对缓慢的吸附动力学的限制,并且倾向于被天然有机物和其他基质成分污染,但是活性炭是目前不可代替的。

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