摘要：在參考眾多資料的基礎(chǔ)上，從活性炭對重金屬離子吸附機(jī)理的觀點(diǎn)出發(fā)，分析活性炭吸附對重金屬離子的主要影響因素—活性炭顆粒粒徑、孔隙的大小、溫度、pH值、以及水中其他粒子的相互作用等，并在該分析的基礎(chǔ)上探討提高活性炭吸附能力的一些措施。

隨著科技的發(fā)展，人們的生活日新月異。但人們在享受生活的同時(shí)，也面臨著嚴(yán)峻的環(huán)境問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年排出的工業(yè)廢水約為8×10⁸m³，其中不僅含有氰化物等劇毒成分，而且含有鉻、鋅、鎳、鋅、汞等重金屬離子。由于其較高的穩(wěn)定性以及較強(qiáng)的毒性，采用傳統(tǒng)的水處理工藝處理這些工業(yè)廢水，不僅大量消耗能源，產(chǎn)生的二次廢物也往往難以處理。而活性炭由于表面積較大，以及很高的物理吸附和化學(xué)吸附功能，效率高，去除效果好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在廢水處理中。國內(nèi)外有較多的文獻(xiàn)研究活性炭對特定離子的吸附問題，但大多是通過實(shí)驗(yàn)來說明操作條件對活性炭吸附重金屬離子的影響，很少涉及吸附機(jī)理對活性炭吸附的影響分析，在查閱各種文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，試圖從活性炭吸附重金屬離子的機(jī)理出發(fā)，分析對吸附有較大影響的因素，并從中提出提高活性炭吸附能力的措施。

1、吸附機(jī)理分析

活性炭是含碳物質(zhì)經(jīng)過高溫?zé)峤夂突罨�而得到的多孔狀碳化合物。其�?nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)，使得每克活性炭的表面積可達(dá)1000m²，活性炭的較強(qiáng)吸附能力即在于它具有這樣大的吸附面積。

溶質(zhì)從水中移向固體顆粒表面，發(fā)生吸附，是水、溶質(zhì)和固體顆粒三者相互作用的結(jié)果。引起吸附的主要原因在于溶質(zhì)對水的疏水特性和溶質(zhì)對固體顆粒的高度親和力。活性炭對離子的吸附過程主要有下列幾個(gè)步驟：（1）液膜擴(kuò)散，由流體主體擴(kuò)散至吸附劑表面；（2）孔擴(kuò)散，由吸附劑孔內(nèi)液相擴(kuò)散至吸附劑中心；（3）表面吸附反應(yīng)。重金屬離子在吸附劑如活性炭上的吸附往往不僅僅是單純的物理吸附，而是常常與吸附劑的表面官能團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)形成沉淀和絡(luò)合物或進(jìn)行離子交換等，故其不可能像有機(jī)物分子一樣在吸附劑表面以吸附態(tài)形式自由地遷移。因此，對于重金屬離子而言，認(rèn)為其吸附機(jī)理包括三個(gè)方面的過程：

（1）重金屬離子在活性炭表面沉積而發(fā)生的物理吸附；

（2）重金屬離子在活性炭表面可發(fā)生離子交換反應(yīng)；

（3）重金屬離子與活性炭表面的含氧官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)吸附。

根據(jù)上述吸附機(jī)理，通過對重金屬離子鉛、鎘、銅等的吸附研究，得出的吸附曲線可以很好地與Freundlich型和Langmuir型曲線擬合，線性相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，說明三種金屬離子在活性炭上的吸附屬單分子層吸附，該吸附過程屬于物理吸附和化學(xué)吸附并存的物理運(yùn)動(dòng)過程，只要金屬鉛離子充分接觸活性炭表面并進(jìn)入空隙內(nèi)部就能有效地被吸附，但當(dāng)吸附到達(dá)一定的時(shí)間后，吸附運(yùn)動(dòng)基本達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。

2、吸附影響因素分析

2.1活性炭粒徑、孔隙的大小

活性炭的吸附能力與活性炭的孔隙大小和結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般來說，顆粒越小，孔隙擴(kuò)散速度越快，活性炭的吸附能力就越強(qiáng)。

Huang和Smith等（1981）通過實(shí)驗(yàn)證明，顆粒活性炭（GAC）的吸附速度遠(yuǎn)小于粉狀活性炭（PAC）的吸附速度，孔隙的擴(kuò)散速率被認(rèn)為是制約吸附速度的主要因素。在隨后Huang和Wirth等的實(shí)驗(yàn)中，通過一系列的粒徑大小不一的粉狀活性炭，證明了隨著粒徑的增加，孔隙內(nèi)的擴(kuò)散對吸附過程的影響越來越重要。Rubin和Mercer（1987）比較了可以通過8-10目篩和可以通過50-200目篩的顆粒活性炭的吸附速度，得出粒徑為可通過8-10目篩的顆粒活性炭達(dá)到吸附平衡的時(shí)間為95h，而粒徑可以通過50-200目篩的顆粒活性炭達(dá)到吸附平衡的時(shí)間平均為6h，兩者差距明顯。

此外，顆粒的粒徑還影響到活性炭比表面積的大小。活性炭纖維（ACF）與顆粒活性炭和粉狀活性炭相比，其孔徑分布狹窄而均勻，微孔體積占總體積的90%左右，微孔孔徑大多在1nm左右，實(shí)驗(yàn)表明，其對水中重金屬離子的吸附較后兩者相比，吸附容量有較大的提高，吸附速率也較快。

2.2溫度的影響

活性炭對重金屬離子的吸附過程實(shí)質(zhì)上是吸附與脫附相互交織的過程。由于吸附反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此，一般來說溫度低一些好。黃鑫等通過不同溫度下的吸附試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一定溫度下（＜50℃）對吸附容量的影響并不大，活性炭對重金屬的吸附依舊可以得到比較好的效果。只有當(dāng)溶液溫度較高（＞50℃）時(shí)，液相吸附熱雖然較小，但是由于分子熱運(yùn)動(dòng)的加劇，導(dǎo)致對吸附平衡的破壞，吸附容量有所減小，表現(xiàn)為物理吸附性能的特性。

2.3pH值

活性炭表面各類含氧基團(tuán)、官能團(tuán)，主要以-CHO，-OH，-COOH，-C=O四種形式存在，它們通常是活性炭吸附的活性中心。考慮到吸附機(jī)理，pH值作為重要的介質(zhì)因素，不僅僅影響吸附點(diǎn)解離，而且影響重金屬離子的溶液化學(xué)水解，氧化還原反應(yīng)和沉淀。

波濤活性炭廠家通過對鉛鎘離子不同pH值下的吸附試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶液的pH在3.0-6.5之間時(shí)，隨著pH值升高，活性炭吸附容量升高，但是隨著pH的繼續(xù)升高，吸附容量反而降低。這是因?yàn)樵趐H值很小的時(shí)候，溶液中存在大量的H離子，活性炭表面的-CHO，-OH，-COOH，-C=O會跟溶液中的H結(jié)合，改變了活性炭表面的親和性，此時(shí)活性炭的有效活性中心被H占據(jù)，重金屬離子沒有充分被吸附，所以吸附量相對較低。隨著溶液的pH值的升高，跟活性炭表面官能團(tuán)結(jié)合了的H會發(fā)生離解，使得大量的活性中心暴露在外面，重金屬離子將占據(jù)這些活性中心而有效地被吸附，所以吸附量是隨著pH值的增加而增加的。但是隨著pH值繼續(xù)增加，溶液中的OH^-與金屬離子的化學(xué)作用力增加，導(dǎo)致吸附量的相對下降。

2.4水中其它粒子的影響

當(dāng)水中含有其它重金屬離子時(shí)，其受活性炭的吸附程度可能會受到彼此的影響，從而發(fā)生協(xié)同效應(yīng)或者拮抗效應(yīng)。Wey等發(fā)現(xiàn)當(dāng)水中含有一些不同的重金屬離子時(shí)，活性炭的吸附效率會有較大程度的下降，尤其是鉛和鎘兩種重金屬離子。這些重金屬離子形成的化合物會占據(jù)在活性炭的表面而使其吸附面積大幅度下降，使活性炭喪失吸附其他物質(zhì)的能力。

水中的其他化合物也可能會對吸附產(chǎn)生影響。Reed等在試驗(yàn)使用活性炭去除鎳和鎘的過程中，使用EDTA、丁二酸和磷酸鹽作為添加劑，對于Nuchar和Darco兩種類型的活性炭，由于自由配基體的作用，EDTA的添加使得其吸附能力下降；而對于Calgon類型的活性炭，在低pH值的情況下，EDTA的添加使其吸附能力得到提升。而丁二酸、磷酸鹽的添加沒有對吸附造成影響。

當(dāng)然，活性炭的吸附能力與污水濃度有關(guān)。在一定的溫度下，活性炭的吸附量隨被吸附物質(zhì)平衡濃度的提高而提高。

3、提高活性炭吸附能力的措施

3.1改良活性炭

3.1.1采用表面改性劑

由以上分析知，活性炭表面的官能團(tuán)對其吸附特性會產(chǎn)生重大影響，通過研究其表面特性對不同物質(zhì)吸附性能的影響，并根據(jù)吸附質(zhì)的不同對其進(jìn)行相應(yīng)的改性處理，可以顯著地提高吸附的適應(yīng)性和吸附效率。

采用濃HNO₃對活性炭纖維進(jìn)行氧化改性，使得ACF表面含氧基團(tuán)包括酸性基團(tuán)明顯增加，對低濃度鉛離子的吸附效果很好，吸附速率也非常快，吸附平衡時(shí)間僅需5min，而且在pH值4-6之間保持著對鉛離子較高的吸附性能。

3.1.2改良制作工藝

在活化過程中，活性炭表面形成了對吸附有重大影響的表面氧化物。一般在300℃-500℃以下用濕空氣制造的活性炭中，酸性氧化物占優(yōu)勢；而在800℃-900℃下，用空氣、蒸汽或CO₂為活化氧化劑制造的活性炭中，堿性氧化物占優(yōu)勢；在500℃-800℃之間則具有兩性性質(zhì)。因此，改良活性炭的制作工藝，優(yōu)化活性炭的表面氧化物類型，提升活性炭的吸附能力，使活性炭具有極性的性質(zhì)，易于吸附極性較強(qiáng)的重金屬離子等。

3.2調(diào)節(jié)溶液的pH值

活性炭對水中重金屬離子的吸附，受pH值影響較大，合理的調(diào)節(jié)pH值可以明顯地提高脫除效率。對活性炭吸附水中鉛離子進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)前，需先選擇合適的實(shí)驗(yàn)pH值范圍。在pH為2時(shí)，活性炭幾乎不吸附Pb²⁺離子，隨著pH值的升高，吸附效率逐漸提高，到pH=8時(shí)，Pb²⁺與溶液中的OH^-起沉淀反應(yīng)，溶液中Pb²⁺濃度變得很低，考慮到既要吸附效率高而又不發(fā)生沉淀反應(yīng)，因此其選擇動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)的pH=6。

3.3對水樣進(jìn)行預(yù)處理

根據(jù)之前對活性炭吸附影響因素的分析，對水樣進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理可以降低水樣中影響吸附的物質(zhì)的濃度，降低水的濁度等，使得活性炭對吸附重金屬離子的吸附更為有效，活性炭的工作周期變長，提高活性炭的吸附效率。

4、結(jié)論

（1）由于重金屬離子的特殊性質(zhì)，使得活性炭對重金屬 離子的吸附除普通的物理吸附外，在活性炭的表面還會有離子交換反應(yīng)和含氧官能團(tuán)的化學(xué)吸附。

（2）孔隙的擴(kuò)散速率是制約吸附速度的主要因素，pH值對于活性炭表面的氧化物影響程度較大，從而使得溶液的吸附量受到影響。

（3）根據(jù)對活性炭吸附影響因素的分析，通過調(diào)節(jié)pH值、對活性炭表面進(jìn)行改性、對水樣進(jìn)行預(yù)處理等措施，可以明顯改善活性炭的環(huán)境適應(yīng)性，提高活性炭的吸附能力。