CN103143333A - 一种活性炭吸附剂的改性方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活性炭吸附剂的改性方法以及该活性炭吸附剂在水介质中汞的去除方面的应用。本发明在活性炭改性的过程中并未使用到有毒有害的化学药品，安全，环保；改性方法，工艺简单，便于操作；将零电荷点PH由9.6降到了4.54，因而更有利于阳离子的吸附，提高了吸附汞的速度，与传统活性炭相比吸附能力提高了一倍以上；本发明能提高活性炭对汞的吸附效率和速率，并且还能够去除水介质中浓度低的汞。

Description

一种活性炭吸附剂的改性方法及其应用

技术领域

本发明属于改性功能材料领域，具体涉及一种活性炭吸附剂的改性方法及其应用。

背景技术

汞是环境中极其有毒的一种元素，它能导致人体神经系统不可逆的损害。世界卫生组织规定人类每周吸收汞的最大承受量是0.3微克和可承受饮用水中汞的最高浓度是1g/L。美国环保局规定，废水中汞的排放限值是10微克每升，饮用水是2微克每升。日本这个规定则更为严格，分别是5和0.5微克每升。因此，在饮用水和污水处理中将汞去除到可以承受的范围内仍是一个挑战。

硫化物沉淀法，离子交换，明矾和铁凝固等传统的方法已被用来去除或分离水中的汞离子。但是这些方法去除的效率低或者在去除的过程需要一些会产生更多污泥的附加处理手段。尤其是，当汞的浓度很低时，这些方法都是无效的。

活性炭是一种常见的吸附剂，由于其优异的多孔结构，特定的表面性能，可重用性，最低的成本和对环境无害的性质，通常用于去除水中的金属。但是普通活性炭对汞离子的选择性不强，吸附速度慢，效率低，吸附容量小。活性炭改性已被认为是一种提高去除水介质中金属效率的一种方法。

发明内容

发明目的：针对以上方法的不足，本发明提供了一种活性炭吸附剂的改性方法及其应用，该方法能显著的提高活性炭去除水介质中汞的效率，使得该改性活性炭成为一种高效的吸附剂。并且，该改性方法简便易行，操作简单。

技术方案：本发明提供了一种活性炭吸附剂的改性方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将活性炭与溶剂按固液比1:5-1:20进行混合并搅拌得到悬浊液；

（2）向步骤（1）中的悬浊液中加入质量分数2%-5%的氨丙基三乙氧基硅烷，然后用超声处理5—20分钟得到混合液A；

（3）将步骤（2）后所得的混合液A用酸把PH调整到3-4，然后在室温下放置1小时得到混合液B；

（4）将经过步骤（3）的混合液B在50-110℃下加热4-24小时得到混合液C；

（5）将经过步骤（4）的混合液C进行离心分离后，用甲苯或乙醇进行洗涤，再用去离子水再洗涤以去除游离的氯和非反应性的硅烷得到改性活性炭；

（6）将经过步骤（5）的改性活性炭在20-60℃下真空干燥一晚即得到活性炭吸附剂成品。

所述活性炭型号为Darco® 20X40 LI表面积为650m² g^{− 1}，密度为400 g L^{− 1}，颗粒直径为0.42-1.0mm。

所述步骤（1）中的溶剂为乙醇溶液或甲苯溶液两者中的一种。

所述乙醇溶液或甲苯溶液用去离子水配制而成，且乙醇溶液的质量分数1%-10%，甲苯溶液的质量分数1%-10%。

所述步骤（2）中的氨丙基三乙氧基硅烷的最佳浓度为2%。

所述步骤（4）中混合液在70℃下加热6小时。

所述的活性炭改性方法制备的活性炭吸附剂在水介质中汞的去除方面的应用。

有益效果：本发明相对于现有技术，具有下列优点和效果：

（1）本发明在活性炭改性的过程中并未使用到有毒有害的化学药品，安全，环保。

（2）本发明改性方法，工艺简单，便于操作。

（3）本发明能提高活性炭对汞的吸附效率和速率，并且还能够去除水介质中浓度低的汞。

（4）本发明改性方法将零电荷点PH由9.6降到了4.54，因而更有利于阳离子的吸附，提高了吸附汞的速度，与传统活性炭相比吸附能力提高了一倍以上。

附图说明

图1为本发明实施例4的汞离子的吸附动力学实验结果图

具体实施方式

采用系列的实验以确定改性实验的最优条件：最优的反应物浓度、最佳的反应时间和温度；并同时进行了该改性后的活性炭吸附剂进行在汞的吸附能力方面的实验。

实施例1：

根据上述活性炭吸附剂改性方法，将活性炭是从美国NORIT 公司购买（型号Darco® 20X40 LI，表面积为650m² g^{− 1},密度为400 g L^{− 1},颗粒直径为0.42mm），与质量分数为1%乙醇溶液按固液比1:5进行混合并搅拌得到悬浊液；再向悬浊液中加入2%的的氨丙基三乙氧基硅烷，然后用超声处理10分钟得到混合液A；用盐酸将PH调整到3，在室温放置1小时得到混合液B；将混合液B分别在50℃、70℃、90℃、110℃下加热6小时得到混合液C；将混合液C分别进行离心分离后，用乙醇进行洗涤，再用去离子水再洗涤以去除游离的氯和非反应性的硅烷得到改性活性炭；最后改性活性炭20℃真空干燥一晚即得活性炭吸附剂成品，并储存在黑色容器中备用。这样就制得了在不同温度下进行改性所得的活性炭吸附剂。配制1000mg/L的汞离子标准液：将1.354克的氯化汞溶解在双蒸馏水中，再加入5ml浓硝酸进行酸化，最后稀释到1000ml。缓冲溶液：0.01M KH₂PO₄–NaOH，pH 值约为6。称取0.1克改性所得的活性炭吸附剂加入到装有汞初始浓度为80毫克每升的缓冲溶液的容积为60毫升的玻璃瓶中，然后将该悬浊液在25℃，150转/分下震荡24小时；反应24小时后吸附达到平衡了，用Whatman0.45微米的过滤器过滤，再向滤液中滴加2-3滴浓硝酸固定汞离子，用VARIAN ICP-AOE 光谱仪测定汞的平衡浓度并计算出平衡吸附量。实验数据及结果如下表：

表1-改性温度对汞吸附的影响

温度（℃）	50	70	90	110
					平衡吸附量（mg/g）	74.56	118.98	92.41	89.54

由实验结果可知改性所得的活性炭吸附剂在71℃时对汞离子的吸附能力最强。

实施例2：

根据上述活性炭吸附剂的改性方法，将活性炭（型号为Darco® 20X40 LI表面积为650m² g^{− 1},密度为400 g L^{− 1},颗粒直径为1.0mm）与质量分数为2%的甲苯溶液按固液比1:10进行混合并搅拌得到悬浊液；再向悬浊液中加入2%的的氨丙基三乙氧基硅烷，然后用超声处理10分钟得到混合液A；混合液A用盐酸将PH调整到3，在室温放置1小时得到混合液B；将混合液B在70℃下分别加热4、6、12、24小时得到混合液C；将混合液C分别进行离心分离后，用甲苯进行洗涤，再用去离子水再洗涤以去除游离的氯和非反应性的硅烷得到改性活性炭；最后改性活性炭40℃真空干燥一晚即得到活性炭吸附剂成品，并储存在黑色容器中备用。这样就制得了在不同改性时间下所得的改性所得的活性炭吸附剂。配制1000mg/L的汞离子标准液：将1.354克的氯化汞溶解在双蒸馏水中，再加入5ml浓硝酸进行酸化，最后稀释到1000ml。缓冲溶液：0.01M KH₂PO₄–NaOH，pH 值约为6。称取0.1克改性所得的活性炭吸附剂加入到装有汞初始浓度为80毫克每升的缓冲溶液的容积为60毫升的玻璃瓶中，然后将该悬浊液在25℃，150转/分下震荡24小时；反应24小时后吸附达到平衡了，用Whatman0.45微米的过滤器过滤，再向滤液中滴加2-3滴浓硝酸固定汞离子，用VARIAN ICP-AOE 光谱仪测定汞的平衡浓度并计算出平衡吸附量。实验数据及结果如下表：

表2-改性时间对汞吸附的影响

时间（小时）	4	6	12	24
					平衡吸附量（mg/g）	81.90	122.8	108.69	101.12

由实验结果可知最佳的改性时间大约为6小时，超过6小时延长改性时间对提高汞吸附没有任何作用。

实施例3：

根据上述活性炭改性的步骤，将活性炭（型号为Darco® 20X40 LI表面积为650m² g^{− 1},密度为400 g L^{− 1},颗粒直径为0.7mm）与质量分数为10%的甲苯溶液按固液比1:20进行混合并搅拌得到混合液A；分别向悬浊液中加入2%、3%、4%、5%的氨丙基三乙氧基硅烷，然后用超声处理10分钟得到混合液A；用盐酸将PH调整到3.5，在室温放置1小时得到混合液B；将混合液B在70℃下加热6小时得到混合液C；将混合液C分别进行离心分离后，用甲苯进行洗涤，再用去离子水再洗涤以去除游离的氯和非反应性的硅烷得到改性活性炭；最后改性活性炭60℃真空干燥一晚，并储存在黑色容器中备用。这样就得到了投加不同浓度氨丙基三乙氧基硅烷所得到的活性炭吸附剂。配制1000mg/L的汞离子标准液：将1.354克的氯化汞溶解在双蒸馏水中，再加入5ml浓硝酸进行酸化，最后稀释到1000ml。缓冲溶液：0.01M KH2PO4–NaOH, pH 值约为6。称取0.1克改性所得的活性炭吸附剂加入到装有汞初始浓度为80毫克每升的缓冲溶液的容积为60毫升的玻璃瓶中，然后将该悬浊液在25℃，150转/分下震荡24小时；反应24小时后吸附达到平衡了，用Whatman0.45微米的过滤器过滤，再向滤液中滴加2-3滴浓硝酸固定汞离子，用VARIAN ICP-AOE 光谱仪测定汞离子的平衡浓度并计算出平衡吸附量。实验数据及结果如下表：

表3-氨丙基三乙氧基硅烷浓度对汞吸附的影响

浓度（%）	2	3	4	5
					平衡吸附量（mg/g）	122.8	118.39	98.48	90.76

实验结果表明：2-3%的氨丙基三乙氧基硅烷改性所得的活性炭吸附剂达到了最高的去除汞离子的能力。

实施例4：

根据上述活性炭改性的步骤，将活性炭（型号为Darco® 20X40 LI表面积为650m² g^{− 1},密度为400 g L^{− 1},颗粒直径为1.0mm）与质量分数为10%的乙醇溶液按固液比1:10进行混合并搅拌得到悬浊液；再向悬浊液中加入2%的的氨丙基三乙氧基硅烷，然后用超声处理10分钟得到混合液A；向混合液A中用盐酸将PH调整到4，在室温放置1小时得到混合液B；将混合液B在70℃下分别加热6小时得到混合液C；将混合液C分别进行离心分离后，用乙醇进行洗涤，再用去离子水再洗涤以去除游离的氯和非反应性的硅烷得到改性活性炭；最后改性活性炭60℃真空干燥一晚得到成品活性炭吸附剂，并储存在黑色容器中备用。这样就制得了在最优条件下所制得的活性炭吸附剂。配制1000mg/L的汞离子标准液：将1.354克的氯化汞溶解在双蒸馏水中，再加入5ml浓硝酸进行酸化，最后稀释到1000ml。缓冲溶液：0.01M KH₂PO₄–NaOH，pH 值约为6。称取0.1g的改性所得的活性炭吸附剂加入到装有汞离子初始浓度为40毫克每升的300毫升缓冲溶液的容积为500毫升的玻璃烧瓶中；将悬浊液在25℃、150转/分下震荡，分别在2、5、10、30、60、120、180、240、300、360、420、480、540、600、660、720、780、840、900、960、1020、1080、1140、1200、1260、1320、1380、1440分钟时用一个10毫升的塑料注射器移取4毫升溶液作为试样；用Whatman0.45微米的过滤器过滤试样，再向滤液中滴加2-3滴浓硝酸固定汞离子，用VARIAN ICP-AOE 光谱仪测定汞离子的浓度并计算出汞离子的去除率。试样数据及结果如图1所示，图中AC代表活性炭，MAC代表改性所得的活性炭吸附剂，由实验结果可知：改性所得的活性炭吸附剂吸附汞离子速率比活性炭快了好多，在30分钟内即达到平衡，在第一个小时内已去除了40-50%的汞离子，并且改性所得的活性炭吸附剂对汞离子的去除率大概是活性炭的2倍。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种活性炭吸附剂的改性方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将活性炭与溶剂按固液比1:5-1:20进行混合并搅拌得到悬浊液；

（2）向步骤（1）中的悬浊液中加入质量分数为2%-5%的氨丙基三乙氧基硅烷，然后用超声处理5-20分钟得到混合液A；

（3）将步骤（2）后所得的混合液A用酸把PH调整到3-4，然后在室温下放置1小时得到混合液B；

（4）将经过步骤（3）的混合液B在50-110℃下加热4-24小时得到混合液C；

（5）将经过步骤（4）的混合液C进行离心分离后，用甲苯或乙醇进行洗涤，再用去离子水洗涤以去除游离的氯和非反应性的硅烷得到改性活性炭；

（6）将经过步骤（5）的改性活性炭在20-60℃下真空干燥一晚即得到活性炭吸附剂成品。

2.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，所述活性炭型号为Darco® 20X40 LI，表面积为650m² g⁻¹，密度为400 g L⁻¹，颗粒直径为0.42-1.0mm。

3.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，所述步骤（1）中的溶剂为乙醇溶液或甲苯溶液两者中的一种。

4.根据权利要求3所述的改性方法，其特征在于，所述乙醇溶液或甲苯溶液用去离子水配制而成，且乙醇溶液的质量分数1%-10%，甲苯溶液的质量分数1%-10%。

5.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，所述步骤（2）中的氨丙基三乙氧基硅烷的最佳浓度为2%。

6.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，所述步骤（4）中混合液在70℃下加热6小时。

7.权利要求1-6所述的改性方法制备的活性炭吸附剂在水介质中汞的去除方面的应用。

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