活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭用于增強汞的去除

　　汞(Hg)是一種高毒性重金屬元素，廣泛存在于工業廢水、礦山排放和燃煤電廠的尾氣中。其生物累積性和持久性使其極易通過食物鏈進入人體，對神經系統、腎臟和免疫系統造成不可逆傷害。因此，開發高效、環保的水中汞去除技術成為當前環境科學領域的研究重點。

　　在眾多去除汞的技術中，吸附法因其操作簡便、成本低、效果好而受到廣泛關注。特別是活性炭材料，憑借其比表面積大、孔隙結構豐富和表面化學可調性，在水處理領域具有廣泛應用前景。然而，傳統活性炭對汞的吸附能力仍然有限，尤其是在低濃度條件下，吸附容量和選擇性表現不足。因此，研究者不斷嘗試通過表面功能化方法改性活性炭，增強其對汞的專一性吸附。

　　本研究采用含硫官能團(如–SH、–S–、–CSSH)對活性炭進行化學修飾，制備出一系列硫改性活性炭(S-ACs)，系統評估其對水中Hg(II)的吸附能力與機理，以期開發出一種新型、高效、可再生的水體汞去除材料。

　　材料改性與表征

　　改性方法

　　原始活性炭首先進行酸處理，以去除雜質并增加表面羧基等活性位點。隨后使用三種不同含硫試劑進行表面功能化，包括：

　　硫代乙酰胺(TAA);

　　硫代乙酸(TAAc);

　　二硫化物(如Na2S2O3)。

　　改性過程中，硫元素通過共價鍵或絡合方式固定在碳材料表面，形成高親汞性的吸附位點。這些含硫官能團對Hg(II)具有極強的親和力，可顯著增強選擇性吸附能力。

　　材料表征

　　通過比表面積測試(BET)、掃描電子顯微鏡(SEM)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、X射線光電子能譜(XPS)等技術，確認改性成功并分析結構變化。結果表明，改性過程中雖然略微降低了比表面積，但顯著增加了表面含硫官能團的種類和數量，特別是–SH和–CSSH基團，這些基團對汞的絡合作用至關重要。

　　吸附性能分析

　　吸附實驗

　　在批量吸附實驗中，研究者分別將原始活性炭(AC)與硫改性活性炭(S-ACs)用于去除水溶液中Hg(II)。結果顯示，所有S-ACs的吸附能力均優于原始AC，其中TAAc修飾樣品表現最佳，最大吸附容量達到近160mg/g，遠高于普通活性炭的吸附水平(約60mg/g)。

　　吸附等溫線和動力學

　　實驗數據擬合Langmuir和Freundlich吸附等溫模型，發現S-ACs對汞的吸附更符合Langmuir模型，說明其為單分子層吸附過程。同時，吸附動力學分析結果符合偽二階模型，表明汞與表面活性位點之間可能存在化學吸附機制，而非單純的物理吸附。

　　影響因素探討

　　溶液pH

　　吸附效率受溶液pH影響較大。在pH為5–7范圍內，Hg(II)主要以Hg²⁺形式存在，與表面硫基團絡合效率較高，吸附性能最強;當pH過低時，質子與吸附位點競爭，抑制汞的結合;而在高pH條件下，可能生成Hg(OH)₂沉淀，影響吸附路徑。因此，S-ACs的最佳工作pH范圍在5~7之間。

　　共存離子影響

　　實際廢水中常含有Na⁺、Ca²⁺、Zn²⁺等金屬離子，可能對吸附產生干擾。實驗發現，S-ACs對Hg(II)具有顯著選擇性，盡管存在競爭離子，其吸附容量下降有限。這表明硫基團對汞的親和性優于其他金屬離子，賦予了材料較強的抗干擾能力。

　　吸附機制與再生性能

　　吸附機制

　　通過XPS譜圖分析，Hg(II)吸附后在材料表面出現了Hg–S鍵的特征峰，說明Hg與–SH等硫基團形成穩定絡合物。部分樣品還檢測到Hg₂Cl₂等沉淀物，推測在吸附過程中可能同時伴隨物理吸附與化學反應。總體機制包括：

　　表面絡合：Hg(II)與–SH、–S–形成穩定配位鍵;

　　電荷吸引：材料表面帶負電，有利于吸引Hg²⁺;

　　沉淀共沉：部分Hg與氯離子結合形成難溶化合物。

　　再生利用

　　采用HCl等解吸液處理已吸附飽和的S-ACs，研究其再生能力。結果顯示，經過五次吸附–解吸循環后，材料仍保留約85%以上的初始吸附容量，表現出良好的循環穩定性與經濟性，適合推廣應用。

　　本研究表明，通過引入含硫官能團改性活性炭可顯著提升其對水中Hg(II)的吸附性能。硫改性活性炭不僅具有高吸附容量、良好選擇性和適應性，還具有優異的再生性能，是一種前景廣闊的水處理材料。尤其在低濃度汞污染治理和實際復雜水體條件下，表現出較強的競爭優勢。

　　未來研究可進一步從以下幾個方面展開：

　　官能團優化：研究不同結構和價態的硫化合物對吸附性能的影響;

　　多污染物協同吸附研究：評估S-ACs對多種重金屬或有機污染物的協同去除能力;

　　固定床和動態實驗：推動材料從實驗室向實際工程應用過渡;

　　綠色制備工藝：開發低成本、環保的改性途徑，降低商業應用門檻。

　　通過持續改進材料性能與工藝控制，硫改性活性炭有望在工業廢水凈化、飲用水安全保障等領域發揮更大作用，為實現水環境治理和可持續發展目標提供有力技術支撐。

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