STOTEN: 活化和氧化黑碳对壬基酚的吸附和解吸机理

冉勇 研究员

基酚(NP)是一种内分泌干扰物,对人类构成致癌威胁。目前,在世界范围内的各种有机废水中都检测到 NP。因此,去除污染废水中的 NP 成为环境污染和污水净化的一个重要问题。黑碳(BCs)因其在控制污染物迁移方面的潜在作用而受到广泛关注。 目前,用ZnCl2和KOH活化BCs的报道很多,但系统比较其表面性能、化学结构性能、微孔性能和吸附/解吸性能差异的研究较少。此外,鲜少有报道将活化处理和氧化处理相结合。前期研究表明了活化和氧化BCs对平面化合物(菲,Phen)吸附和解吸中的微孔变形机制,然而,对于活化和氧化BCs在非平面化合物(壬基酚,NP)上的吸附和解吸行为的认识仍然不足。此外,可提取有机质(EOM)和多环芳烃(PAHs)对BCs吸附和解吸的影响还有待进一步研究。

广州地化所胡淑捷博士研究生和冉勇研究员等人,利用化学活化剂(KOH、ZnCl2)、氧化剂(H2O2、NaClO)和有机溶剂分别从页岩干酪根中提取活化黑碳(Z-BCs/P-BCs)、氧化黑碳(ZHP\ZSH\PHP\PSH)和有机溶剂萃取的黑碳样品(E-Z-BCs/E-P-BCs);并测定了它们的表面性质(水接触角、表面酸/碱官能团、阳离子交换能力CEC)、结构性质(高级固态13C NMR)、微孔性质(CO2吸附)和介孔性质(N2吸附),并对热解过程中产生的多环芳烃(PAHs)以及可提取有机质(EOM)进行了量化。相关论文,近期发表于 Science of the Total Environment.

实验表明,不同温度下 BCs 的EOM和 PAHs含量均随热解温度的升高先升高后降低。与 KOH 活化的 BCs 相比,ZnCl2 活化的 BCs 具有较高的碱性表面官能团、CEC 值、芳香碳含量、微孔体积和微孔尺寸,但酸性表面官能团较低。通过 1H – 13C 远程偶极去相估计了稠环芳香环的大小,提出了 300 – 500 ℃之间的 BCs 的结构模型。

此外,研究人员探讨了BCs对壬基酚和菲的吸附和解吸机理。结果表明,可提取有机物的去除暴露了 BCs 的微孔结构,有利于吸附菲,但不利于分子吸附尺寸较大的壬基酚。而且,氧化处理BCs对壬基酚的吸附比对菲的吸附更有效(图1)。另外,氢键在对壬基酚吸附过程中有重要作用;BCs 的微孔结构对吸附不可逆性有显著影响;BCs对壬基酚的解吸滞后机制还与氢键效应和微孔变形效应有关。

为进一步探讨,研究人员利用DR吸附模型估计BCs对Phen和NP的吸附量(Qo)。结果表明,NP的吸附过程存在明显的分子筛作用;空间位阻的原因使得分子较大的壬基酚不能进入到较小的微孔。黑炭对具有平面分子结构的菲的吸附要比非平面的壬基酚吸附的强,供试BCsde 微孔填充和微孔尺寸分布对壬基酚的吸附起着至关重要的作用。

图1: BCs 对菲和壬基酚吸附的 qe值 (来源:Elsevier)

图2: BCs 对菲和壬基酚吸附的 Qo值与微孔体积的关系 (来源:Elsevier)

图3: BCs 对菲和壬基酚吸附的 Qo值与Vo-DFT-(0.37-1.1nm)/Vo-DFT %的系 (来源:Elsevier)

原文链接:Shujie Hu, Decheng Xu, Xianglan Kong, Jian Gong, Yu Yang, Yong Ran, Jingdong Mao,
Effect of the structure and micropore of activated and oxidized black carbon on the sorption and desorption of nonylphenol, Science of The Total Environment, Volume 761, 2021, 144191.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720377226