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活性炭的硫化橡胶涂层强化

发布时间: 2021-11-29  点击次数: 31次

  本文介绍活性炭的硫化橡胶涂层上固定化汞的可及性,自然界中的汞物质包括各种复合物,例如水中的HgCH 3 +,HgS o和胶体NOM(天然有机物质),接合的汞以及固相中的粘土(或其他颗粒物质)水银。由于汞离子与天然有机物质之间的稳定常数与汞离子和还原硫基团之间的稳定常数相当,预期NOM与有机富沉积物中的大部分汞离子相关。尽管总汞的生物可利用部分尚未被充分表征,但许多研究表明,沉积物中颗粒物质的汞吸附降低了甲基化细菌中汞的生物利用度。然而,通过溶解的有机物(DOM),溶解的微溶荆芥具有潜在的生态风险。

  使用微x射线荧光(μ-XRF)成像技术和数学模型研究了与聚硫化橡胶涂覆的活性炭(PSR-活性炭)反应后的汞离子的深度分布。μ-XRF结果表明,在10ppm HgCl 2中用PSR-活性炭处理三个月后,汞从颗粒外部浓缩至0〜100μm水溶液。边缘光谱(μ-XANES)分析的μ-X射线吸收表明HgS是主要的汞物质,表明颗粒内汞运输涉及与PSR聚合物的化学反应。

活性炭的硫化橡胶涂层强化

  前关于疏水性有机化合物(HOC)到活性炭的颗粒内扩散的研究显示了HOC分子的吸附阻滞径向扩散,其中溶质使用大孔和微孔扩散的平行过程描述了通过颗粒的传输。由于较大的扩散系数和较小的活性炭/水分配系数,可以比疏水化合物更快地扩散到活性炭中。然而,活性炭表面改性或反应成分输入到活性炭可能会显着阻碍汞离子通过表面反应的扩散。

  通过活性炭上的聚硫橡胶(PSR)涂层可以增强活性炭的汞离子去除效率,因为汞离子与PSR聚合物中的硫原子形成化学键。然而,不清楚反应主要发生在边缘和颗粒外部,如在矿物的金属络合模型中,或者汞离子是否能够穿过PSR-活性炭,粒子扩散。由于活性炭上的聚合物涂层可以改变孔隙度和溶质延迟的程度,PSR-活性炭颗粒内的汞运动预期取决于活性炭中的聚合物分布。如果聚合物涂层用薄的硫聚合物膜密封外表面,则PSR-活性炭中的汞扩散速率应与PSR薄膜中的相同。如果PSR聚合物更均匀地分布在整个活性炭颗粒中,则反应位点密度在整个颗粒上应该是相当均匀的。因此,PSR-活性炭颗粒内的汞传输将类似于HOCs延迟扩散到具有较小孔隙率和不同分配系数的汞离子的活性炭颗粒中。本研究的目的是通过具有多硫化橡胶的反应性多孔吸附剂了解汞离子的微尺度运动。结果表明汞离子进入PSR-活性炭的反应性粒子间扩散,其在概念上类似于疏水性有机化合物到原始活性炭的颗粒内扩散。

  PSR-活性炭的粒子分析

  表1总结了聚合物涂覆PSR之前和之后的活性炭的体积性质。聚合物涂层后,微孔表面积显着减小,并且由于孔隙填充效应,颗粒密度增加。假设PSR-活性炭的微孔面积(占总BET面积的1.4%)对整个反应的贡献是可以忽略的,主要的颗粒内汞运输过程应该与大孔相关联,这些大孔有助于相对快速地输入汞离子水相。如果PSR堵塞颗粒内部的一些大孔,则微孔表面积的减小可能是由颗粒芯中形成的死体积导致的。然而,根据图1所示的μ-XRF获得的横截面硫分布,PSR聚合物覆盖整个颗粒的活性炭表面。这导致硫的相当均匀的分布。因此,为了评估PSR-活性炭的性能,不需要创建依赖于PSR深度轮廓的更多建模参数。

活性炭的硫化橡胶涂层作用

  活性炭μ-X射线荧光成像

  图1所示的μ-X射线荧光图像显示了穿过PSR-活性炭颗粒的硫和汞的分布。硫均匀分布在颗粒上,而汞浓缩在约100μm深层。两个图像的叠加显示汞层不是颗粒外部汞沉淀的结果,但汞与硫原子具有相同的区域。在线性组合XANES拟合的基础上,大部分汞作为HgS存在(表S1),表明PSR-活性炭中的汞运输伴随着PSR与汞之间的化学反应。我们以前的研究也发现了类似的结果。这验证了汞吸附反应在传质模型中的应用。图1左下角的颗粒与其余的颗粒相比具有稀疏的硫分布。然而,它具有较低浓度的较厚的汞层。这个发现定性地说明了低硫密度(即,汞离子的反应位点数量较少)和对液相的更好的内部连接似乎促进了汞的更快的扩散。

  本研究结果表明,反应介导的粒子间扩散与汞离子与PSR-活性炭的固定过程有关。表面介导的化学反应的存在由μ-XANES分析支持,显示PSR-活性炭颗粒内的总汞离子的大部分为HgS形式。数学建模结果提供了PSR-活性炭颗粒中汞深度分布的粗略估计,但表明汞离子扩散不能用简单的Langmuir模型描述,或完全由动力学吸附模型描述。Langmuir模型在的延迟下证明了汞离子的命运,预测了汞转运速度要慢得多。动力吸附模型是用于估计汞深度分布的强大工具,不具有快速到慢速的反应位点比,扩散系数和反应常数的实验值。本研究中的动力吸附模型与观察到的汞深度剖面有一些差异。这可能是由于快速和慢速反应位点之间的表面扩散系数和溶质交换速率的变化取决于在三个月内变化了三个数量级的含水浓度。由于天然水的汞浓度变化范围较小,所以动力学吸附模型预期更适合于天然水体系。因此,利用动力学吸附模型来理解具有相应分配系数的其他具有未知扩散系数的小型中性汞物质的微观尺度运动是合理的。本研究结果表明,当实际反应时间少于几个月时,应使用较小的PSR-活性炭粒径来充分利用PSR涂层表面。

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