活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭降低魚塘水中氨含量

　　在淡水魚養殖活動中，水質往往成為養殖者最關心的問題，因為它影響魚類的生理健康并影響池塘的整體生產力。為了實現可持續和高產的水產養殖，了解和管理養殖池塘的水質非常重要。氨(NH3)是水中存在的化合物之一，如果濃度過高，會變得有毒性，給養魚戶帶來問題。本研究旨在使用的活性炭吸附劑降低氨(NH3)水平。

　　水質最重要的參數之一是池塘中的氨水平。氨是一種氮化合物，如果在水產養殖水中高濃度存在，可能對魚類有毒。淡水中的氨含量可能來自多種來源，包括魚類廢物、未消耗的飼料和魚類新陳代謝。水中高氨含量會導致淡水魚養殖出現各種問題，例如氨毒性導致的生長抑制和魚類應激，這會嚴重影響養魚戶的經濟。建議將0.02 mg/L的氨氮濃度作為海水養殖的安全限值，而將0.2mg/L的氨氮濃度視為淡水養殖的限值。

　　為了解決當前的問題，已經進行了大量的實驗，其中吸附是所采用的方法之一。由于其簡單、有效且經濟實惠，吸附被認為是一種早期且高效的方法。人們已經探索了各種類型的吸附劑來降低水中的氨含量，包括活性炭、螯合材料、沸石、生物吸附劑、MOF和類似物質]。活性炭是碳基材料的一個子集，經常用作吸附劑，并具有特定的優點，例如巨大的表面積、復雜的孔隙結構、卓越的吸附能力、多功能的化學穩定性和官能團。

　　活性炭的制備

　　果殼用作生產活性炭的原料。在果殼廢料的合成過程中，第一步是將殼在陽光下干燥3小時。然后將干燥的果殼在350℃的溫度下碳化2小時。隨后使用研缽將碳化的果殼研磨成粉末，然后過100目篩。樣品制備首先稱量肉豆蔻殼粉末和預定的1M-HCl溶液。接下來，用1M-HCl溶液將粉末活化24小時。活化后，活性炭過濾并用蒸餾水洗滌，直至pH值變為中性。一旦pH值為中性，活性炭就會在110℃的溫度下煅燒1小時。煅燒后，來自肉豆蔻殼的碳在惰性氣體氣氛(氮氣)中在600℃、650℃和700℃的溫度下退火2小時。然后用蒸餾水洗滌所得結果以除去金屬化合物。氨(NH3)水平降低最多的樣品將根據下面的圖1進行表征。

　　圖1：活性炭制備方案。

　　活性炭吸附氨(NH3)的研究

　　從測試結果可以看出，在700℃溫度下，吸附劑質量為6g，濃度為0.2mg/L，降低百分比為90%。氨(NH3)濃度的降低與質量變化的增加和活化溫度的升高成正比。吸附劑質量越大且溫度越高，氨(NH3)濃度降低得越多。在圖2中，顯示了活性炭的吸附容量值。因此，可以得出結論，吸附劑質量為2g、溫度為700℃時達到最高吸附容量，即0.06 mg/g。然而，盡管700℃下6g吸附劑質量顯示出氨(NH3)濃度百分比降低，但與700℃下2g吸附劑質量相比，其吸附容量仍然較低，為0.03mg/g。這是由于NH3吸附過程是由分子間相互作用驅動的，例如靜電引力、氫鍵、范德華相互作用等。此外，結果表明，源自肉豆蔻殼的活性炭可以有效降低氨(NH3)水平。那么活性炭具有良好的穩定性，并通過吸附容量值證明。

　　圖2：活性炭吸附能力圖。

　　形態和元素組成分析

　　掃描電子顯微鏡-電子色散X射線(SEM-EDX)是用于各類材料形態和化學表征的重要分析儀器。SEM-EDX元素圖通常作為圖像使用和處理，從而展平和減少EDX數據中包含的光譜信息。SEM分析結果表明活性炭顆粒呈不規則排列且分散。此外，樣品中發生團聚，形成具有相對低多孔表面的球形形狀。這將影響吸附能力的有效性，如圖3a所示。

　　圖3：(a)活性炭的形態結構，(b)元素C、O和Co的分布圖，(c)樣品中元素組成值表，(d)樣品中元素組成值圖。

　　此外，EDX分析結果表明碳含量高(C=79.78%)和化學結合氧(O=19.75%)，如圖1和2所示。5c和5d。還存在少量鈷(Co=0.46%)，它是在碳化過程中出現的并且沒有得到最佳轉化，并且樣品洗滌過程也不是最佳的。下圖中，顯示了樣品的元素分布圖，其中碳為紅色，氧為綠色，鈷為藍色，分布均勻，如圖3b所示。這會影響吸附孔隙結構的形成。

　　活性炭降低魚塘水中氨含量，發現使用活性炭的吸附機制主要由靜電吸引和離子交換驅動。吸附能力的高低通常受到每種材料的表面積和孔徑的影響。然而，表面狀況并不是影響吸附的唯一因素。另一個可能影響它的因素是材料上官能團的可用性不斷增加。官能團在吸附中的重要性已在其他研究中得到闡明。使用 HCl 在活性炭上的吸附機制涉及HCl中存在的離子協助轉化為二氧化碳、碳酸鹽和其他碳化合物。這有助于增強孔隙結構和表面積，這是提高氨(NH3)吸附能力的重要因素。此外，與其他研究相比，活性炭對氨(NH3)的吸附表現出良好的吸附性能。

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