用于吸附水中硫酸根的聚吡咯改性活性炭制备及再生工艺条件优化研究

2022-04-27王东升张峰解立国崔建国

应用化工 2022年2期

王东升，张峰，解立国，崔建国

(1.太原理工大学环境科学与工程学院，山西晋中 030600；2.太原市城市排水管理中心，山西太原 030006)

利用聚吡咯(PPy)的离子交换功能对活性炭改性可去除水中阴离子[3-4]。掺杂苯磺酸根后的PPy有助于层流生长为紧凑和有序的形态[5]。具有缓冲能力的NH3·H2O其脱附能力较少被考察[6]。PPy上带正电荷的氮被电子攻击后呈电中性[3-4]，故易提供电子的还原性物质[7]，也可能使PPy还原再生。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

吡咯、三氯化铁、无水硫酸钠、氢氧化钠、盐酸、苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、碳酸氢钠、无水碳酸钠、氨水、甲酸、无水亚硫酸钠、甲醇均为分析纯；木质净水用活性炭，购买于承德。

CIC-D120型离子色谱仪；TENSOR27型傅里叶变换红外光谱仪；JSM-7100F型扫描电子显微镜；THZ-82B型数显恒温振荡器；HJ-6A型六联数显控温磁力搅拌器；FE28型精密pH计；DHG9070-B型智能型电热恒温鼓风干燥箱；SB-5200DT型超声波清洗机；DZF-6020A型真空干燥箱。

1.2 改性活性炭的制备

选取16～20目的GAC，将GAC用去离子水冲洗多次后，在真空干燥箱中55 ℃下干燥24 h至恒重。利用先前研究Py和FeCl3·6H2O为1∶3的配比进行BSNa掺杂制备。称取2.5 g干燥后的GAC投加至密闭玻璃瓶中，将50 mL 1 mol/L的Py加入玻璃瓶中密封，将玻璃瓶放入恒温振荡器中于常温25 ℃ 180 r/min下振荡12 h。将上清液弃掉后，投加50 mL 1.5 mol/L的FeCl3·6H2O，25 ℃下振荡氧化一定时间向混合液中投加一定量的BSNa，继续振荡3 h。振荡结束后，将改性活性炭取出后放入载有滤纸的漏斗中，采用(去离子水-无水乙醇-去离子水)的顺序冲洗3次后放入真空干燥箱中，55 ℃下真空干燥24 h。将真空干燥后的改性活性炭放入密封瓶中充氮气，低温、黑暗下保存。

为表达方便，文中改性活性炭(Py-FeCl3·6H2O-BSNa-GAC)缩写为PFB-GAC；Py和FeCl3·6H2O的摩尔比为P∶F。

1.3 吸附实验

平衡吸附量qe(mg/g)的计算式为：

(1)

吸附容量qt(mg/g)在不同接触时间t(min)的计算式为：

(2)

mads=0.2×qe

(3)

V——溶液体积，mL；

ms——吸附剂的干重，g。

1.4 脱附再生实验

mi=Ci×V

(4)

V——投加再生液体积，mL。

脱附效率D(%)采用下式计算：

(5)

Cm=0.2×qe×D

(6)

2 结果与讨论

2.1 PFB-GAC制备条件的影响

我国农村公共产品供给机制的不合理之处主要体现在供给主体单一和决策机制单向两个方面。首先，受传统思想文化、历史因素以及公共产品本身特性的影响，农村公共产品供给始终由政府控制，其他社会组织、外来资本都无法大量进入公共产品市场中，政府已经无法继续满足农村社会的发展要求。其次，我国政府在农村公共产品供给上实行“自上而下”的决策方式。基层政府干部的偏好取向对公共产品的供给起主导作用，更多地关注时间周期短、见效快的“政绩工程”，而普通农民丧失了通畅表达需求的话语权，使得农村公共产品供需严重不符。

图1 等量BSNa与SDBS掺杂制备改性活性炭对的吸附效果Fig.1 Adsorption effect of the modified activated carbon prepared by adding the same dosage of BSNa and SDBS on sulfate

图2 BSNa投加时间对改性活性炭吸附的影响Fig.2 The effect of adding time of BSNa by modified activated carbon on the adsorption of sulfate

图3 活性炭负载导电聚合物的量对吸附的影响Fig.3 The effect of the amount of conductive polymer supported by activated carbon on the adsorption of sulfate

2.2 PFB-GAC再生及富集的研究

2.2.1 碱性物质再生分别选取NaOH和NH3·H2O两种典型碱性物质作为再生剂，对吸附饱和的PFB-GAC吸附剂进行脱附再生对比实验。实验中所用吸附剂初次吸附量均为20 mg/g左右。图4A中，采用去离子水进行脱附，其对化学吸附作用甚微，脱附率仅为1.5%左右。而随着NaOH的浓度逐渐提高，脱附率也逐渐升高；当NaOH浓度为2 mol/L 时脱附率达80%左右。与脱附率趋势不同，当NaOH浓度升高至0.1 mol/L以上后，吸附剂再次吸附量出现了明显的下降；再生液浓度2 mol/L时的再次吸附量较0.1 mol/L时下降了1/3。表明了过高NaOH浓度虽有利于单次脱附，但却不利于PFB-GAC的循环利用。

图4 不同浓度NaOH(A)、NH3·H2O(B)作为再生剂对的脱附率以及再次吸附的影响Fig.4 The desorption and re-adsorption sulfate studies on different NaOH (A),NH3·H2O (B) solutions by PFB-GAC

2.2.2 还原性物质再生分别选取HCOOH、CH3OH和Na2SO3作为再生剂进行还原性物质脱附再生对比实验,结果见图5。

图5 不同浓度HCOOH、CH3OH和Na2SO3作为再生剂对的脱附率以及再次吸附的影响Fig.5 The effect of the different concentrations of HCOOH,CH3OH and Na2SO3 on the desorption of

亚硫酸盐是典型的强还原剂，还原电位约为-0.92 V，为了进一步研究还原性更强的物质对PFB-GAC的再生效果，选择了Na2SO3作为再生剂进行实验研究。当Na2SO3的浓度为2 mol/L时，脱附率接近70%，再吸附量达15.24 mg/g，再生效果明显强于HCOOH、CH3OH。相比于具有较弱还原性的短链有机物，还原性更强的Na2SO3对PFB-GAC的脱附再生效果更好。

图6 12 mol/L、2 mol/L NH3·H2O下PFB-GAC循环再生次数以及富集浓度Fig.6 Number of regeneration cycles of PFB-GAC and enrichment amount of at 12 mol/L and 2 mol/L NH3·H2O

图7 未改性活性炭(A)、PFB-GAC吸附后(B)和NH3·H2O 五次再生后的PFB-GAC(C)的表面形貌Fig.7 Unmodified activated carbon (A);PFB-GAC adsorption (B);PFB-GAC (C) after five-times regeneration of NH3·H2O