活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　對羥基苯甲醚，又名對甲氧基苯酚，是一種重要的精細化工中間體和高效的抗氧化劑，廣泛應(yīng)用于聚合物單體、化妝品、藥品、油脂和食品的穩(wěn)定化過程中。隨著其需求的增長，生產(chǎn)和使用MeHQ的工業(yè)過程不可避免地會產(chǎn)生含有此類物質(zhì)的廢水。MeHQ具有一定的生物毒性和化學(xué)穩(wěn)定性，難以被傳統(tǒng)生物降解方法有效去除，若排入水環(huán)境，可能對水生生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成潛在風(fēng)險。因此，開發(fā)高效、經(jīng)濟的技術(shù)以去除廢水中的MeHQ顯得尤為迫切。

　　目前，處理含酚類化合物的廢水方法包括高級氧化法、膜分離法、生物降解法以及吸附法等。其中，吸附法因其操作簡便、效率高、成本相對較低且設(shè)計靈活而被認為是最有前景的技術(shù)之一[7]。在眾多吸附劑中，活性炭由于其巨大的比表面積、發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和豐富的表面化學(xué)官能團，被公認為是最通用和有效的吸附劑之一，廣泛應(yīng)用于水和廢水處理中，用于去除各種有機微污染物[8,9]。

　　盡管活性炭已被用于吸附多種酚類化合物，如苯酚、對硝基苯酚等[10,11]，但關(guān)于其特異性吸附去除MeHQ的系統(tǒng)研究仍相對有限。MeHQ分子結(jié)構(gòu)中的甲氧基(-OCH3)和羥基(-OH)可能與其吸附行為和機理密切相關(guān)，值得深入探究。

　　本研究旨在全面評估商業(yè)活性炭對水溶液中MeHQ的吸附性能。具體目標(biāo)包括：(1)探究溶液初始pH、接觸時間、初始濃度和溫度對吸附過程的影響;(2)利用動力學(xué)模型闡明吸附速率控制步驟;(3)通過等溫線模型確定吸附容量和吸附特征;(4)通過熱力學(xué)參數(shù)評估吸附過程的自發(fā)性和熱效應(yīng);(5)初步探討可能的吸附機理。本研究結(jié)果將為活性炭應(yīng)用于處理含MeHQ工業(yè)廢水提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

　　材料與方法

　　化學(xué)品與材料

　　對羥基苯甲醚(MeHQ,C7H8O2,≥99%)購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。實驗所用商業(yè)活性炭(粉末狀)購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。使用前，將活性炭用超純水反復(fù)洗滌至洗滌液呈中性，隨后置于105℃烘箱中干燥24小時，密封保存?zhèn)溆�。鹽酸(HCl)和氫氧化鈉(NaOH)用于調(diào)節(jié)溶液pH值。所有化學(xué)品均為分析純，所有溶液均使用超純水(18.25MΩ·cm)配制。

　　吸附實驗

　　所有吸附實驗均在恒溫搖床中以批量模式進行。將一定量的活性炭(20.0mg)加入250mL錐形瓶中，并加入100mL已知初始濃度(C0,mg/L)的MeHQ溶液。用0.1M/HCl或NaOH溶液將混合液的初始pH值調(diào)節(jié)至預(yù)定值。隨后，將錐形瓶密封后置于搖床中，在預(yù)定溫度下以150rpm的轉(zhuǎn)速振蕩至設(shè)定時間。

　　到達預(yù)定接觸時間后，取適量樣品并通過0.22μm水系微孔濾膜過濾以分離吸附劑。使用紫外-可見分光光度計(UV-2550，島津公司)在特定波長(λmax=288nm)下測定濾液中MeHQ的剩余濃度(Ct,mg/L)。

　　每個實驗均設(shè)置平行組，結(jié)果取平均值。

　　表征

　　采用傅里葉變換紅外光譜對吸附前后的活性炭樣品進行分析，掃描范圍為4000-500cm⁻¹，以識別表面官能團的變化。

　　結(jié)果與討論

　　初始pH值的影響

　　溶液初始pH值是影響吸附過程的關(guān)鍵因素，它既影響吸附劑的表面電荷，也影響有機污染物的存在形態(tài)。

　　吸附動力學(xué)

　　為研究吸附速率和機理，進行了不同初始濃度下的時間梯度實驗。偽二級動力學(xué)模型能更好地擬合實驗數(shù)據(jù)，表明化學(xué)吸附可能是速率控制步驟。

　　吸附等溫線

　　在恒定溫度下，研究了不同初始濃度對吸附平衡的影響。Langmuir模型擬合度更高(R²>0.99)，表明MeHQ在活性炭表面的吸附更傾向于單分子層吸附。

　　吸附熱力學(xué)

　　通過在不同溫度(25,35,45℃)下進行實驗，計算了吉布斯自由能變(ΔG°)、焓變(ΔH°)和熵變(ΔS°)。ΔG°為負值表明吸附過程是自發(fā)的;ΔH°為負值證實其為放熱反應(yīng)。

　　吸附機理探討

　　通過FT-IR對比吸附前后的活性炭，發(fā)現(xiàn)(描述官能團峰位的變化)，表明活性炭表面的羧基、酚羥基等含氧官能團與MeHQ分子之間存在氫鍵相互作用。此外，活性炭的巨大比表面積和π-π共軛效應(yīng)也可能在吸附過程中發(fā)揮重要作用。

　　本研究成功證實了商業(yè)活性炭可作為去除水溶液中對羥基苯甲醚(MeHQ)的高效吸附劑。吸附過程強烈依賴于溶液的pH值，最佳pH范圍在5-7之間。吸附動力學(xué)遵循偽二級模型，平衡吸附量隨初始濃度增加而增大。Langmuir等溫模型能很好地描述吸附行為，在25℃下的最大吸附容量高達312.5mg/g。熱力學(xué)參數(shù)(ΔG°<0,ΔH°<0)表明吸附是一個自發(fā)的、放熱的物理化學(xué)過程。FT-IR分析表明，氫鍵作用、π-π相互作用和靜電吸引是主要的吸附機理。本研究結(jié)果表明，活性炭吸附技術(shù)對于處理含MeHQ工業(yè)廢水具有操作簡單、效率高和成本效益好的顯著優(yōu)勢，具備良好的實際應(yīng)用前景。

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