活性炭在双酚S吸附中的应用

快盈VIII　　双酚S(BPS)是一种主要的环境内分泌干扰物，可引起生物内分泌系统功能异常。此外，在地表水、城市污水、沉积物、日用品中经常发现BPS。BPS的持续积累可能会增加对生态平衡的潜在风险。为了去除水溶液中的双酚S，我们采用简单有效的吸附法，由于活性炭其发达的内部多孔结构、相对较高的表面积、大的吸附容量和多种官能团而被用作不同领域的吸附剂，所以这次的吸附剂采用活性炭。

　　活性炭显着的特性是受其制备条件的影响很大。响应面法是一种用于优化制备条件的统计工具，通过以最少的实验运行次数评估几个自变量的交互作用。在这项工作中，响应面法被用来优化蒸汽活化活性炭的制备条件。此外，对活性炭进行了表征，并研究了双酚S的吸附动力学和热力学，以评估活性炭的吸附性能。

　　活性炭制造工艺优化

快盈VIII　　本次基于碘吸附能力作为响应优化了活性炭的制备条件。通过求解自变量的偏导数获得合适操作条件，制备的活性炭具有高碘值吸附率。根据FR的TG和DTG曲线分析后发现，热重分析在氮气氛中以10℃/分钟的热解速率进行，最终热解温度为800℃。FR的热重法(TG)及其衍生热重法曲线(DTG)表明在热分解过程中观察到四个失重阶段。第一干燥阶段(25-110℃)的重量损失主要归因于水分的释放。在第二个预热过渡阶段，发生在110至225℃的温度范围内，失重曲线几乎变成一个平台，这意味着热解速率趋于相对稳定。第三个热解阶段的重量损失约为52.19%，发生在225-450℃。此外，在338℃时产生了最大热解速率为0.837%/分钟的大失重峰，对应于大量半纤维素和纤维素的逃逸。在第四碳化阶段(450-800℃)，根据FR的TG曲线发现约33.18%的残留物，而DTG曲线保持水平，变化很小。明显的热重分析结果表明，这次的前体可以生产出高质量的活性炭。

快盈VIII　　图1：碘吸附能力的3D表面模型图(a)活化时间和活化温度，(b)炭与水的质量比和活化温度，(c)炭与水的质量比和活化时间。

　　碳质前驱体(a)和活性炭(b)的SEM显微照片在图2显示。从图2(a)中可以看出，碳质前驱体的表面形态粗糙，没有更深的孔结构。然而，活性炭(b)显示出具有许多小裂缝的不规则和不均匀的表面形态。在活化过程中，碳与蒸汽反应通过挥发组分的损失产生大量孔隙，显着增加了活性炭的表面积。

　　图2：SEM图像(a)碳质前驱体和(b)活性炭。

　　双酚S吸附到活性炭上

　　pH值是吸附过程中的另一个关键因素，它可能会影响水相中双酚S的形式和活性炭的表面净电荷。双酚S的分布系数如图3(a)所示，双酚S的pKa为8.2。由于羟基在pH值下的去质子化，阴离子形式(双酚S)的比例增加。当pH值为6时，阴离子形式(BPS)是主要的离子形式。双酚S的零点电荷(pHpzc)是通过加盐法测量的。如图3(b)所示，活性炭的pHpzc约为8.23。这表明双酚S在pH值为8.23时其表面带有正电荷，而在pH值时其表面带有负电荷。

　　图3：(a)双酚S的分配系数，(b)零电荷点(pHpzc)的确定。

　　pH值对活性炭从水溶液中去除双酚S的影响，结果如图4(a)所示。根据图4(a)，随着pH值从2增加到7，活性炭的吸附容量在一定程度的变化。在pH值为7时，活性炭对双酚S表现出高吸附容量，这可能归因于双酚S的羟基和活性炭的羰基之间的氢键以及双酚S的磺酰基和活性炭的羟基之间的键合。双酚S与带正电荷的活性炭之间的静电引力也促进了pH、pHpzc时的吸附过程。此外，双酚S与活性炭之间也出现了一定程度的π-π相互作用。

快盈VIII　　图4：(a)pH值对活性炭吸附双酚S容量的影响，(b)双酚S在活性炭上的吸附机制。

快盈VIII　　带负电荷的活性炭随着pH值的增加而逐渐增加。通过实验，原始双酚S溶液的pH值表现出较高的吸附能力。因此，原始双酚S溶液的pH值被选为所有其他批次实验的合适pH值。

快盈VIII　　本次的活性炭吸附应用中，活性炭从水溶液中去除双酚S。成功实施响应面法优化制备条件，制成高品质活性炭。活性炭对双酚S的吸附可以通过氢键、π-π相互作用和静电相互作用来实现。此外，活性炭可被乙醇有效再生，5个循环后吸附效率的下降不显着。双酚S在活性炭上的单层饱和吸附容量比较大，这意味着这次制作的活性炭可以从水溶液中去除双酚S，并且成本低吸附容量大。

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