除鐵用活性碳

本研究採用活性碳吸附技術處理水中的鐵。實驗中研究了間歇吸附和固定床吸附去除鐵離子的可行性。

除鐵用活性碳

工業化促進了經濟與社會發展,但不斷增長的工業設施加劇了污染物排放,影響整個生態系統。水污染是工業化帶來的痛苦的影響之一。

數據顯示,地表水近60%、飲用水50%含有鐵離子。由於採礦活動、處理廠和其他活動,一些地區水源中的鐵含量顯著增加。過多的鐵積累可能會導致嚴重的健康問題。

本研究採用活性碳吸附技術處理水中的鐵。實驗中研究了間歇吸附和固定床吸附去除鐵離子的可行性。

鐵的介紹

元素週期表中的第26號元素鐵是重要元素。它覆蓋了地殼約5%,是元素中僅次於氧、矽和鋁的第二豐富金屬。

單質鐵是一種過渡金屬。基本氧化態為+2(亞鐵)和+3(三價鐵),但也有+4(亞鐵)和+6(高鐵酸鹽)氧化態。 +2 態的鐵化合物被標記為亞鐵,由淺綠色的Fe 離子組成,而+3 態的鐵化合物被標記為三價鐵,含有Fe 絡離子,從黃色變為橙色,最終變成棕色,具體取決於鐵離子的程度。

在含氧水中,Fe2+ 離子被氧化成 Fe3+ 離子。氧化速率主要取決於H+離子濃度和溶液溫度。亞鐵離子通常比三價鐵離子保留在溶液中更高量的鐵,與單質鐵相比,亞鐵元素往往具有更高的溶解度。

吸附除鐵

鐵具有劇毒,因此有必要將這種污染物控制在排放量。有許多技術可用於從飲用水和城市廢物中除鐵,例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,要么沒有電力就無法使用。吸附是吸附物質(吸附物)對固體表面的黏附。吸附物作為溶解在液體或氣體中的溶質存在於流體相中。與其他治療方法相比,它因其使用方便、設計簡單、容量大、成本低、副產物產生少、治療效果高而受到青睞。

這是一種表面現象,需要廢水中的污染物累積在吸附劑的表面上。金屬離子在吸附劑上的沉積發生在吸附劑的界面處,形成二維結構。這取決於吸附劑的性質,例如表面電荷、表面積和表面官能度。

吸附還優於其他去除工藝,因為它的效率高並且可以再生吸附劑和回收吸附物。克服這些困難的方法之一是透過各種吸附劑吸附鐵。由於其多功能行為,活性碳已被認為在廢水處理中具有高度活性。

活性碳結構

活性碳結構

儘管活性碳在水和空氣淨化方面具有商業重要性,但其確切的原子結構尚不清楚。碳的結構是透過熱解製備的。活性碳衍生的碳是不可石墨化的,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。

中子繞射研究表明,不可石墨化碳具有類似富勒烯的骨架,如圖1所示。

活性碳孔

活性碳孔

除了活性碳的結晶和化學構型之外,其多孔結構在各種應用中也起著至關重要的作用。活性碳的吸附能力與表面積、孔體積和孔徑分佈密切相關。

主要取決於原料的性質和化學處理。活性碳的多孔結構是在炭化過程中消除原料中的非碳物質而產生的,產生具有基本孔隙結構的固定炭塊,並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直徑,同時產生了一些新的孔隙,形成了發達的多孔結構。活性碳中的孔隙分佈有各種大小和形狀。所得活性碳的孔徑分佈主要受浸漬程度影響。活化和碳化條件是影響所得活性碳的孔隙率類型最關鍵的參數。

活性碳依孔徑分類如下:大孔(>50nm)、中孔(2-5nm)及微孔(<2nm)。微孔又可細分為超微孔(<0.5nm)和超微孔(1-2nm)。中孔充當吸附物分子通過微孔網絡的通道。大孔沒有任何作用,但它們有助於引導金屬離子進入中孔和微孔表面。活性碳的特徵孔徑分佈如圖2所示。

鐵用活性碳的工作條件

吸附過程很大程度上取決於各種限制因素,例如 pH、吸附劑劑量、初始濃度、接觸時間和溫度。詳細研究了這些參數對活性碳吸附鐵的影響,以確定最佳條件。

在 2 至 6 的幾個 pH 範圍內,使用活性碳去除水相中的 Fe(II) 離子。隨著溶液pH值的增加,去除率顯著增加,在pH5.0時達到最大去除率。

活性碳上吸附的鐵量隨著接觸時間的增加而增加。由於吸附劑與溶液中金屬離子之間的驅動力較高,因此前90 min吸附速率很快。

吸附位點一開始就接近,隨後減慢並在 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影響,顯示在 150 分鐘時達到平衡,超過該時間鐵離子的累積使其難以擴散到吸附劑中。擴散阻力隨著微孔填充的增強而增加,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濃度的過程,可以被認為是質傳效應。吸附是透過活性碳吸附劑邊界上分子的單層覆蓋來調節的。

因此,吸附過程最初非常迅速。在較高濃度下,碳表面上存在的空位將被更多吸附物包圍。因此,金屬離子不僅被活性碳吸附劑週邊表面的單分子層吸附,也擴散到活性碳顆粒的內部。

結論

活性碳吸附消除鐵對環境的影響。雖然鐵是人體重要的礦物質,但如果水中的鐵含量超過一定水平,就會使水無法飲用,導致各種健康障礙。為人們提供安全飲用水是人類的普遍需求。因此,高效且負擔得起的技術對於使用活性碳進行水處理以去除水中的鐵以確保安全的飲用水至關重要。

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