活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭吸附2-甲基異冰片和光催化

　　在水域中產生味道和氣味的化合物由三種主要分類群作為異味次級代謝產物產生：(1)藍藻、(2)放線菌和(3)真菌，并且存在于多達50%的湖泊/水庫。2-甲基異冰片是一種常見的由異味次級代謝產物引起的味道和氣味化合物，是飲用水公用事業中常見的物質。由于飲用水廠的氣味閾值非常低，常見的水處理工藝在去除2-甲基異冰片方面表現不佳 。因此，2-甲基異冰片通常通過包括活性炭吸附和高級氧化工藝在內的高級處理工藝去除。

　　由于活性炭的多種有利特性，例如微孔結構、高吸附能力以及特殊的表面反應性。并且在多項研究表明，使用粉狀活性炭和顆粒狀活性炭可以很好的去除2-甲基異冰片。然而，由于會在吸附劑上形成生物膜，天然有機物的存在導致活性炭的吸附能力降低。本研究的目的有制備納米復合材料 (活性炭載二氧化鈦) 以在紫外光照射下降解2-甲基異冰片，評估天然有機物對吸附的影響。分析活性炭去除效率與光催化劑用量之間的關系來研究解決水中的污染。

　　活性炭的載鈦和分析

　　活性炭載二氧化鈦是通過溶膠-凝膠法合成的。在室溫下，將待載溶解在無水乙醇中，然后將冰醋酸緩慢加入漿液中。用濃鹽酸將溶液的pH值調至2-3。隨后，懸浮液在室溫下攪拌30分鐘并超聲10分鐘得到改性活性炭。SEM圖像及其對活性炭和載二氧化鈦活性炭的EDX分析如圖1所示。可以清楚地看到活性炭具有不規則的多孔結構，分布密度高。EDX上的元素映射表明C、O和Au的百分比分別為77.77%、27.57%和0.66%。應該注意的是，Au主要來自用于增強導電性的鍍金膜。發現二氧化鈦顆粒分散在活性炭的表面。此外，在載二氧化鈦的活性炭上可觀察到粗糙的多孔結構，證實了二氧化鈦在活性炭表面形成。

　　圖1：活性炭(a、c)和二氧化鈦載活性炭(b、d)的SEM圖像和EDX分析。

　　光降解性能

　　研究了活性炭和載鈦活性炭在紫外線照射下對2-甲基異冰片的光降解，結果如圖2a所示。如圖2a所示，活性炭可以在黑暗中從水溶液中去除約49.4%的2-甲基異冰片，而載鈦活性炭可以從水中吸附約35.3%的2-甲基異冰片。此外，在沒有催化劑的情況下，2-甲基異冰片在紫外光下的降解速度很慢。活性炭和載鈦活性炭都可以在紫外光下快速去除2-甲基異冰片。活性炭和載鈦活性炭對2-甲基異冰片的降解效率隨時間增加，直到約3小時后達到平衡。此外，很明顯，載鈦活性炭在180分鐘內獲得了97.8%的降解效率，而活性炭的降解效率僅為65.4%。

　　圖2：活性炭和載鈦活性炭在蒸餾水中光催化降解2-甲基異冰片的(a)去除效率和(b)動力學。

　　天然有機物對光降解性能的影響

　　天然有機物的主要成分是腐植酸和單寧酸，因為它們普遍存在于各種天然水中。圖3顯示了從蒸餾水和天然有機物水中消除2-甲基異冰片的情況，這取決于光降解前后催化劑的用量。如圖3a所示，發現兩種催化劑在天然有機物水中的去除更接近。然而，腐植酸和單寧酸的存在導致活性炭和載鈦活性炭對2-甲基異冰片的吸附能力顯著降低。此外，為了達到氣味閾值濃度值，兩種催化劑在低天然有機物濃度的水中所需的劑量比在蒸餾水中增加了大約一倍。這種現象表明天然有機物和2-甲基異冰片之間對于兩種催化劑的活性位點存在競爭關系。同時，值得注意的是，當微生物分子接近模型污染物時，競爭吸附最強。然而，在光降解后，載鈦活性炭對2-甲基異冰片的去除效率顯著提高(圖3b)。

　　圖3：2-甲基異冰片的(a)吸附去除效率和(b)光催化降解。

　　本次我們通過溶膠-凝膠法制備了一種新型光催化劑。此外，其制備工藝簡單，原材料價格低廉。我們的工作致力于對活性炭和載鈦活性炭對水中2-甲基異冰片的吸附和光催化行為進行比較研究。吸附實驗表明，與活性炭相比載鈦活性炭對蒸餾水中的2-甲基異冰片表現出更好的光催化性能。紫外可見光譜表明活性位點的直接競爭被確定為天然有機物效應的主要機制。這種競爭現象在實際的水環境中可能更加明顯，因為天然有機物是由各種有機化合物組成的。此外，由于實際水域中參數值只有微小差異。該研究對于開發對包括2-甲基異冰片在內的有機污染物具有很好吸附和光催化性能的新型復合光催化劑具有重要意義。

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