活性炭吸附消除鐵對環境的影響

　　工業化促進了經濟和社會發展，但不斷增長的工業設施加劇了污染物排放，影響了整個生態系統。水污染是工業化帶來的令人痛心的影響之一。數據表明近60%的地表水和50%的飲用水所含鐵離子，由于采礦活動、處理廠等活動造成部分地區水源中鐵含量極具上升，過多的鐵堆積可能會導致嚴重的健康問題。本次研究通過活性炭吸附技術進行水中鐵的處理，實驗過程中通過分批和固定床吸附去除鐵離子的可行性。

　　鐵的基本介紹

　　元素周期表中的第26位元素鐵是一種重要元素。它覆蓋了大約5%的地殼，是第二豐富的金屬，而在元素中僅次于氧、硅和鋁。元素鐵是過渡族金屬。基本氧化態為+2(亞鐵)和+3(三價鐵)，盡管也有+4(亞鐵基)和+6(高鐵酸鹽)氧化態。+2態的鐵化合物被標記為亞鐵，由淺綠色Fe離子組成，而+3態的鐵化合物被標記為三價鐵，并包含Fe復合離子，它從黃色轉變為橙色，最終轉變為棕色，依賴于水解程度。在含氧水中，Fe2+離子被氧化為Fe3+離子。氧化速率主要取決于H+離子濃度和溶液溫度。與三價鐵離子相比，亞鐵離子保留在溶液中的鐵量通常更高，與鐵元素相比，亞鐵元素往往具有更高的溶解度。

　　吸附除鐵

　　鐵的毒性很高，因此，有必要將這種污染物控制在排放水平。有許多技術可用于從飲用水和城市廢物中去除鐵，如離子交換和水軟化、超臨界流體萃取、曝氣氧化、微濾/超濾、曝氣顆粒過濾器和生物修復。這些技術的主要缺點是它們要么價格昂貴，要么沒有電就無法使用。吸附法是吸附物質(吸附物)粘附在固體表面上。吸附物存在于流體相中，作為溶解在液體或氣體中的溶質。由于其易于使用、設計簡單、能力強、成本低、副產物產生量低和治療效果好，它比其他治療方法更受青睞。這是一種表面現象，它需要廢水中的污染物聚集到吸附劑的表面。金屬離子在吸附劑上的這種沉積發生在吸附劑的界面處，從而產生二維結構。這取決于吸附劑的特性，如表面電荷、表面積和表面功能。吸附也優于其他去除過程，因為它的高效性以及再生吸附劑和回收吸附物的可能性。可以克服這些困難的方法之一是通過各種吸附劑吸附鐵。由于其多功能行為，活性炭已被確定在廢水處理中具有很高的活性。

　　活性炭結構

　　活性炭的具體原子構型尚不清楚，盡管它在水和空氣凈化方面具有重要的商業意義。通過熱解法制備的碳的構型。她指出，這些碳可以分為兩個不同的組，即石墨化和非石墨化。活性炭衍生出的碳是非石墨化的，這意味著即使在非常高的溫度(≥3000℃)下，它也可以轉變為結晶石墨。中子衍射研究表明，非石墨化碳具有類似于富勒烯的骨架，如圖1所示。這種配置將闡明碳的微孔結構及其其他特性。從x射線和中子衍射研究中獲得的衍射數據已根據由非六角環組成的結構進行了闡明，但無法提供任何明確的證據表明原子以五角環或六角環的形式鍵合。

　　圖1：彎曲片段的示意圖，包含五邊形和七邊形環以及六邊形。

　　除了活性炭的結晶和化學構型外，其多孔結構在各種應用中也起著至關重要的作用。活性炭的吸收能力與表面積、孔體積和孔徑分布高度相關。它主要取決于原料的性質和化學處理。活性炭的多孔結構是在碳化過程中通過消除原材料中的非碳物質產生的，該原材料產生具有基本孔結構的固定碳塊，并在活化過程中進一步發展。活化過程擴大了碳化過程中產生的孔隙的直徑，同時產生了一些新的孔隙，從而形成了一個發達的多孔結構。活性炭中的孔隙分布在各種尺寸和形狀上。所得活性炭的孔徑分布主要受浸漬程度的影響。活化和碳化條件是影響所得活性炭孔隙率類型的最關鍵參數。活性炭對孔徑的分類如下：大孔(>50nm)、中孔(2–5nm)和微孔(<2nm)。微孔可以進一步細分為超微孔(<0.5nm)和超微孔(1-2nm)。中孔作為吸附物分子通過微孔網絡的通道。大孔沒有任何意義，但它們有助于引導金屬離子進入中孔和微孔表面。活性炭的特征孔徑分布如圖2所示。

　　圖2：活性炭孔隙結構示意圖。

　　實際工況對活性炭吸附鐵的影響

　　吸附過程在很大程度上取決于各種限制條件，例如pH值、吸附劑劑量、初始濃度、接觸時間和溫度。詳細研究這些參數對活性炭吸附鐵的影響，來確定最佳條件。

　　活性炭用于在2到6的幾個pH范圍內從水相中排除Fe(II)離子。他們調查發現，在pH<3時，去除效率最低。隨著溶液pH值的升高，去除百分比顯著增加，并且在pH5.0時達到最大去除率，因為在較高的pH值下，H+的數量較少和更大的沒有。帶負電荷的配體導致更高的金屬吸附。重金屬消除在pH值5-6下保持恒定，但由于金屬氫氧化物沉淀，避免了對pH值6以上的研究。

　　吸附在活性炭上的鐵量是隨著接觸時間的增加而增加。由于溶液中吸附劑和金屬離子之間的高驅動力以及更高的no的存在，吸附速率在最初的90分鐘內很快。開始時可及的吸附位點，緩慢減速并在150分鐘左右達到平衡。將運行時間延長至6小時對金屬離子的殘留濃度沒有任何影響，表明在150分鐘時達到平衡，超過此時間，鐵離子的積累使其難以擴散到吸附劑中。隨著微孔填充的增強，擴散阻力增加，這與接觸時間的影響相矛盾。

　　金屬離子的去除是一個高度依賴于濃度的過程，可以被認可為質量傳遞的影響。吸附由分子在活性炭吸附劑邊界上的單層覆蓋來調節。因此，吸附過程最初非常迅速。在更高的濃度下，碳表面上存在的空位將被更多的吸附物包圍。因此，金屬離子不僅被單層吸附在活性炭吸附劑的外圍表面，而且還擴散到活性炭顆粒的內部。

　　色譜柱吸附研究

　　間歇吸附實驗通常用于評估吸附消除金屬離子的效果以及最大吸收能力的測定。間歇式反應器適用于中試規模，但不太適合工業化應用。在填充床反應器中進行連續吸附以確定其工業適用性。它們易于操作，并且可以很容易地從實驗室程序中放大。連續柱在平衡情況下不起作用。流速的影響會影響色譜柱中溶質的流動行為。

　　活性炭吸附消除鐵對環境的影響，雖然鐵對人類來說是一種重要的礦物質，但如果水中的鐵含量超過一定水平，就會導致水無法飲用，從而導致各種健康障礙。為人們提供安全飲用水是具有普遍意義的人類需求。因此，高效和價格合理的技術是必不可少的，使用活性炭來進行水處理，去除水中的鐵來保障安全的飲用水。

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