活性炭高效去除剛果紅色染料

　　紡織業是工業上主要的水消耗行業，依賴于各種染料類型，包括反應性，直接，酸和分散的染料。剛果紅(Cr)是一種以其充滿活力以紅色為特征的合成重氮染料，在紡織工業中歷史悠久。Cr染料具有磺酸基團(–SO3-)，可在溶液中電離，從而使其具有凈負電荷。將CR排入水體中會帶來嚴重的環境和健康風險。這些染料通過改變水性質，促進富營養化和抑制植物的光合作用來破壞水生生態系統，最終損害水生生物。去除Cr和類似染料的高效和可持續處理方法已成為關鍵的研究領域。

　　活性炭由于其眾多不同的優勢，在吸附過程中引起了很大的關注。其高表面積是由其多孔結構引起的，為吸附物分子(例如剛果紅)提供了豐富的結合位點，因此對于廣泛的環境和工業應用，它的效率很高。此外，活性炭的固有再生能力可通過各種方法實現，可顯著增強其經濟和環境可持續性。此外，這些材料在環境上被認為是優秀的，對生態影響最小的，并且活性炭可以從各種碳質量來源產生。本文重點介紹了活性炭對剛果紅的吸附處理效果和解吸再生的潛力，證明了活性炭在多次重復使用周期中保持效率的能力并突出了其經濟和環境可行性。

　　活性炭的形態和元素特征

　　FESEM圖像對吸附前后活性炭的形態變化提供了詳細的視覺分析。吸附前圖像(圖1a)揭示了高度不規則和粗糙的表面形態，其特征是木質纖維素材料的多孔和片狀結構。大型裂紋，空隙和顆粒狀碎屑很普遍，所有這些都導致了高表面粗糙度，并增強了可用的表面積以吸附。此外，發達的孔隙的存在證實了正磷酸激活在建立層次多孔網絡中的有效性，非常適合染料擴散。活性炭表面在吸附后經歷了顯著的形態轉化(圖1b)。最初粗糙和不規則的質地變得更加順暢，表明剛果紅分子的成功粘附。裂紋，空隙和孔隙開口的可見性降低，進一步支持了這種轉變。進行EDS以分析活性炭的元素性質(圖1C)。吸附之前，活性炭表現出C和O的主要峰，這確定了活性炭的形成。另外，在正磷酸激活期間引入的磷最初以痕量量存在。

　　圖1：活性炭(a)吸附前和(b)吸附后的FESEM，(c)吸附前后活性炭的EDS光譜。

　　活性炭吸附剛果紅的實驗研究

　　pH效應如圖2A所示，在pH5到6之間，CR去除效率的邊際提高，然后在pH7周圍較小的降低。有趣的是，隨著pH從7的pH持續增加，去除效率的邊際上升提高至10。pH5和6之間觀察到的去除效率的略有提高歸因于活性炭的pH PZC與Cr51的PKA之間的關系。當pH低于pH PZC時，活性炭帶有正電荷，而在pH PZC上方的pH值水平上，它達到負電荷。另一方面，CR的PKA為4.1，這會影響其在溶液中的電離狀態。在其PKA以下的pH值下，Cr主要存在于其質子化形式，其中胺(–NH2)和磺酸(–SO3-)組分別形成NH3+，SO3h和SO3h。在5至6的pH中，pH PZC為7.2的活性炭表面被帶正電荷。同時，CR的PKA為4.1，主要以其去質子化形式存在。這種電荷差異促進了帶電物種之間的靜電相互作用，從而提高了吸附性能。但是，在pH7左右看到的吸附效率略有下降，這可能是由于其靠近pH值所致活性炭的PZC。在此pH值下，吸附劑是中性的，因此吸引帶負電荷的Cr分子的可能性較小。

　　圖2:吸附參數包括(a)pH值的影響，(b)劑量的作用，初始剛果紅濃度的影響，以及(d)溫度對剛果紅在活性炭上吸附的影響。

　　吸附動力學

　　吸附容量與時間的關系圖顯示，由于CR溶液中的高濃度梯度和活性炭上豐富的活性位點，在最初的30分鐘內CR的初始吸收很快(圖3a)。這種最初的快速吸收可能是由物理吸附驅動的，其中CR分子通過范德華力與活性炭表面弱結合。隨著吸附的進行，速率降低，最終在180分鐘達到平衡。這個平臺表明活性炭上的結合位點已經飽和。

　　圖3：(a)吸附動力學，(b)吸附等溫線和(c)van't hoff圖，用于吸附Cr上的活性炭上。

　　解吸和吸附劑再生

　　在圖4a中描述的解吸實驗證明了溶劑類型對從支出的活性炭中去除CR的顯著影響。溶劑按降低的解吸效率順序為甲醇>乙醇>NaOH>HCl，其去除效率分別為55.28%，41.56%，23.66%和17.06%。與乙醇相比，甲醇的出色性能是由于其較低的分子量和較短的烴鏈。這些特性可能有助于更有效地滲透到活性炭的孔中，從而破壞CR-活性炭相互作用。此外，其較高的極性大概有助于破壞非共價相互作用，例如氫鍵或范德華力。相反，對NaOH和HCl觀察到的較低的解吸效率表明，強堿或酸不容易逆轉CR-活性炭的吸附。這可能是由于較大離子物種的孔穿透有限，可能受到空間效應或擴散屏障的阻礙，或者是由于與Cr反應后保留在孔中保留的不溶性沉淀物的形成。因此，選擇甲醇作為再生研究的解劑溶劑。

　　圖4：(a)使用不同的解吸劑后，cr的活性炭的吸附效率;(b)甲醇在六個連續吸附-吸附周期內通過甲醇的吸附效率。

　　在圖4B中介紹的甲醇的再生研究表明，每個循環的CR去除效率和吸附能力都略有下降，但活性炭保留了其初始有效性的很大一部分。從第一個周期到第二個周期，吸附性能從74.80%降低到55.28%。但是，從第二個周期到第六周期，它幾乎保持一致，達到42.27%-總體邊際降低僅為43.49%。這種下降是由于CR分子的不完全解吸，活性炭表面官能團的改變以及在再生過程中活性炭的質量略有損失。然而，可重復性研究表明，可以有效地再生活性炭在多個周期中去除CR，從而強調了其在工業廢水處理中可持續和經濟應用的潛力。

　　活性炭的吸附機制

　　圖5中描述了顯示活性炭和CR之間相互作用機制的示意圖。這項研究的發現表明，CR吸附在活性炭上受多基礎機制的控制，化學吸附起著主要的作用，而物理吸附也對整個過程產生了重大貢獻。然而，隨著吸附的進展，PSO模型表現出了較高的擬合度，突出了化學吸附作用的增加。范德華力以及強大離子/靜電(化學吸附)以及π -π相互作用(物理吸附)。此外，Cr分子中芳香環和偶氮組(–n=n–)的疏水性質通過與活性炭的非極性區域的有利相互作用而有助于吸附。

　　圖5：示意圖表示在吸附過程中SCAC和CR之間的關鍵相互作用。

　　活性炭高效去除剛果紅色染料，并評估了其去除剛果紅的有效性。FESEM圖像顯示，活性炭最初粗糙和不規則的表面形態在吸附后轉變為更光滑的紋理，證實了CR分子的有效附著。通過XPS和FTIR分析的進一步表征確定了通過靜電相互作用、氫鍵和π-π相互作用促進吸附的表面功能部分。吸附研究表明化學吸附是主要機制。解吸研究表明，甲醇是一種有效的解吸劑，使活性炭在多個循環中保持高吸附效率，突出了其可重復使用性。因此，活性炭作為去除剛果紅染料的低成本和環保解決方案顯示出巨大的前景。其高吸附能力和可重復使用性使其成為實際應用的可行選擇。

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