活性炭吸附水中扑热息痛的热力学和动力学研究

刘征 程慧艳 张道龙

摘 要：药物是重要的新兴污染物，对人类健康和水生态系统产生严重威胁。通过實验研究了活性炭吸附扑热息痛的等温吸附、吸附热力学和动力学，结果表明：Freundlich模型能更好地拟合活性炭对扑热息痛的吸附数据;活性炭吸附扑热息痛是自发进行的，吸附是吸热过程;扑热息痛在活性炭内部的扩散是主要吸附过程，但吸附过程也受其他吸附阶段影响。

关键词：活性炭; 扑热息痛; 等温吸附; 吸附热力学; 吸附动力学

中图分类号：TQ424.1          文献标识码：A     文章编号： 1006-3315（2021）2-172-003

近年来，更精密灵敏的分析方法和分析设备的发展使人类开始关注水体中残留的药物、个人护理品、食品添加剂和农药等新兴污染物。这些物质通过生活污水、工业废水和医疗废水等进入环境，对人类健康和水生态系统造成有害影响[1]。消除这些污染物已成为重要的环境问题之一。新兴污染物通常是不可生物降解的，通常无法使用常规（一级、二级和三级）污水处理工艺进行消除[2][3]。

扑热息痛，也称对乙酰氨基酚，是全球广泛使用的镇痛药和退烧药。由于其稳定性高、溶解性和亲水性好，已在全世界的地表水、废水和饮用水中检测到[4][5]。此类物质的主要处理技术包括好氧降解[6]、臭氧化[7]、光芬顿法[8]和膜过滤[9]等。在众多处理工艺中，活性炭吸附因其设计简单、操作灵活和效率高而被广泛使用[10]。本课题采用椰壳活性炭处理扑热息痛废水，研究了等温吸附、吸附热力学和动力学，相关结论可为后续中试和工业化应用提供依据。

1.实验部分

1.1材料与仪器

扑热息痛为分析纯，购自Macklin。椰壳活性炭购自市场，比表面积大于850m2/g。扑热息痛溶液用蒸馏水配置。

紫外可见分光光度计（岛津UV-2700），恒温摇床（一恒THZ-103B），电子天平（赛多利斯BSA124S）。

1.2实验方法

吸附热力学实验：等温实验时，将100mg的活性炭投加到200mL10mg/L、20mg/L和80mg/L扑热息痛溶液中，放入20℃恒温摇床中，设置振荡频率为200rpm。吸附平衡后取样，使用0.45μm尼龙过滤头过滤后，使用紫外可见分光光度计在245nm处测定溶液中扑热息痛浓度。所有实验均重复三次。通过式（1）计算扑热息痛吸附量

式中，C0和Ce（mg/L）分别是扑热息痛的初始浓度和平衡浓度，V（L）是溶液体积，W（g）是投加活性炭的质量。求解热力学参数时，扑热息痛溶液初始浓度为10mg/L，摇床温度设为30℃和40℃，其他条件同上。

吸附动力学实验：将100mg的活性炭投加到200mL 10mg/L、20mg/L和80mg/L扑热息痛溶液中，放入20℃恒温摇床中，设置振荡频率为200rpm。在不同时间间隔下取样，使用0.45μm尼龙过滤头过滤后，使用紫外可见分光光度计在245nm处测定溶液中扑热息痛浓度。通过式（2）计算不同时间扑热息痛吸附量

式中，C0和Ct（mg/L）分别是扑热息痛的初始浓度和取样测定的浓度，V（L）是溶液体积，W（g）是投加活性炭的质量。

2.结果与分析

2.1等温吸附研究

吸附等温线描述吸附剂与吸附质的作用机制，通过理论方程或经验方程对平衡数据进行解释，可为吸附系统的实际设计和操作提供重要依据。利用最常见的等温模型Langmuir和Freundlich对平衡数据进行了拟合，等温模型如表1所示，其相应参数如表2所示。

其中qm（mg/g）表示最大吸附量，Ce（mg/L）表示平衡浓度;KL（L/mg）是Langmuir系数，KF（（mg/g）×（L/mg）1/n）是Freundlich系数，n：是吸附强度。

Langmuir模型适用于单层均质吸附过程，吸附剂表面所有吸附位点对等，其上的吸附质之间无相互作用。Freundlich模型是一个经验方程，可用于描述了非均质表面的多层吸附。

从表2可知，两种等温模型的相关系数R2均不到0.95，Freundlich模型拟合的相关系数R2更大，表明Freundlich模型可能更好地解释活性炭对扑热息痛的吸附，活性炭表面是一个非均质系统，存在多层吸附行为。

2.2吸附热力学

吸附热力学可以从吸附热效应角度解释吸附行为，吸附的吉布斯自由能变化用式（3）表示为

从表3可知，ΔG[?]<0，表示活性炭吸附扑热息痛是自发进行的，ΔH[?]>0表明吸附是吸热过程，ΔS[?]>0表明反应过程中固/液界面处的无序性增加。

2.3吸附动力学

采用常用的拟一级模型、拟二级模型和粒子内扩散模型来解释动力学吸附机理，各模型的方程和作图方法如表4所示。其中qe是平衡吸附量（mg/g），qt是时刻t的吸附量（mg/g），k1是拟一级速率常数（min-1），k2是拟二级速率常数（g/mg·min），k3是粒子扩散速率常数（mg/g·min1/2），Ci是粒子内扩散模型截距。

吸附动力学模型对实验数据的拟合结果如图1、图2和图3所示。由图可知，和拟一级模型、拟二级模型相比，粒子内扩散模型对实验数据的拟合更好，所有初始浓度的相关系数均大于0.97。这表明，扑热息痛在活性炭内部的扩散是主要吸附过程。同时，所有粒子内扩散模型拟合直线均不过原点，说明粒子内扩散并不是限制步骤，吸附过程也受其他吸附阶段影响。

3.结论

研究了活性炭吸附扑热息痛的等温吸附、吸附热力学和动力学，发现：

（1）Freundlich模型可能更好地解釋活性炭对扑热息痛的吸附，所用活性炭表面是一个非均质系统，存在多层吸附行为。

（2）活性炭吸附扑热息痛是自发进行的，吸附是吸热过程。

（3）扑热息痛在活性炭内部的扩散是主要吸附过程，但吸附过程也受其他吸附阶段影响。

基金项目：厦门理工学院科研攀登计划（XPDKQ19015，XPDKT20015），福建省中青年教师教育科研项目（科技类）

参考文献：

[1]Lapworth D.J.，Baran N.，Stuart M.E.，etal.Emerging organic contaminants in groundwater：A review of sources，fate and occurrence[J]Environmental Pollution，2012，163：287-303

[2]Gogoi A.，Mazumder P.，Tyagi V.，et al.Occurrence and fate of emerging contaminants in water environment： A review[J]Groundwater for Sustainable Development， 2018，6：169-180

[3]Wang J.，Wang S.Removal of pharmaceuticals and personal care products （PPCPs） from wastewater：a review[J]Journal of Environmental Management，2016，182：620-640

[4]Birch G.F.，Drage D.S.，Thompson K.，etal.Emerging contaminants（pharmaceuticals，personal care products，a food additives and pesticides）in waters of Sydney estuary，Australia[J]Marine Pollution Bulletin，2015，97（1-2）：56-66

[5]Oulton R.L.，Kohn T.，Cwiertny D.M.Pharmaceuticals and personal care products in effluent matricesa survey of transformation and removal during wastewater treatment and implications for wastewater management[J]Journal of Environmental Monitoring，2010，12（11）：1956-1978

[6]Wu S.，Zhang L.，Chen J.Paracetamol in the environment and its degradation by microorganisms[J]Applied Microbiology and Biotechnology，2012，96：875-884

[7]Gogate P.R.，Pandit A.B. A review of imperative technologies for wastewater treatment I：oxidation technologies at ambient conditions[J]Advances in Environmental Research，2004，8（3-4）：501-551

[8]Rad L.R.，Haririan I.，Divsar F.Comparison of adsorption and photo-Fenton processes for phenol and paracetamol removing from aqueous solutions：single and binary systems[J]Spectrochimica Acta Part A：Molecular and Biomolecular Spectroscopy， 2015，136：423-428

[9]Bhattacharya A. Remediation of pesticide-polluted waters through membranes[J]Separation & Purification Reviews，2006，35：1-38

[10]Dinh V.C.，Liu N.L.，Viet A.N.，et al.Meso/micropore-controlled hierarchical porous carbon derived from activated biochar as a high-performance adsorbent for copper removal. Science of the Total Environment，2019，692：844-853