通过化学表面改性对废旧活性炭块进行升级处理，以提高其在电镀废水中去除六价铬的效果

《Journal of Water Process Engineering》：Upcycling spent activated carbon blocks via chemical surface modification for enhanced hexavalent chromium removal from electroplating wastewater

废弃活性炭块经化学改性提升六价铬吸附效率，过氧化氢处理吸附量达11.94 mg/g，吸附机制符合Freundlich等温线和伪二级动力学模型，再生后仍保持55%-85%去除率，为循环经济提供实用水处理方案。

　　这项研究聚焦于如何将废弃的活性炭块（ACB）通过化学表面改性转化为高效吸附剂，以去除电镀废水中存在的六价铬（Cr(VI))。随着点对点（point-of-use, POU）饮用水处理系统的普及，ACB滤芯的使用量显著增加，其废弃问题也日益突出。由于ACB在去除有机污染物方面表现出色，但在吸附Cr(VI)方面存在局限，因此开发一种能够提升其吸附能力的再利用策略显得尤为重要。研究团队采用多种化学处理方法，包括酸处理（r-PAC-HNO?）、碱处理（r-PAC-NaOH）、氧化处理（r-PAC-H?O?）、高锰酸钾处理（r-PAC-KMnO?）以及铁氧化物浸渍（r-PAC-Mag），成功地将废弃ACB转化为具有更高吸附性能的材料。这种策略不仅符合循环经济理念，也为水污染治理提供了可持续的解决方案。

六价铬是一种具有高度毒性的重金属离子，广泛存在于电镀、皮革鞣制等行业产生的废水中。其毒性远高于三价铬（Cr(III)），并且由于其良好的溶解性和易穿透生物膜的特性，对人体健康和生态环境构成严重威胁。特别是在自然水体中，Cr(VI)的浓度可能高达25,176毫克/升，这不仅增加了其对生物体的潜在危害，也使得治理该污染物成为一项紧迫的任务。因此，如何高效、经济地去除Cr(VI)成为水处理领域的重要研究方向。

活性炭因其高孔隙率、大比表面积和优异的吸附性能，长期以来被广泛应用于有机污染物的去除。然而，其在吸附无机阴离子方面的能力相对有限，这限制了其在处理含Cr(VI)等重金属离子废水中的应用。此外，由于原始活性炭的成本较高，导致其在大规模水处理中的应用受到经济因素的制约。因此，研究如何通过改性手段提升活性炭对Cr(VI)的吸附能力，不仅有助于解决废弃活性炭的处理问题，还能为工业废水治理提供更具成本效益的材料。

化学改性是一种有效的提升活性炭吸附性能的方法。通过不同的化学处理，可以改变活性炭的表面结构和化学组成，从而增强其对特定污染物的吸附能力。例如，酸处理可以引入富含氧的官能团，如羧酸、内酯、酚和乳醇等；碱处理则可能引入碱性官能团，如铬烯、酮、吡喃和含氮基团。而氧化处理，如使用过氧化氢（H?O?）或高锰酸钾（KMnO?），则能进一步丰富表面的氧官能团，提升材料与重金属离子之间的相互作用。铁氧化物浸渍则通过引入金属氧化物，改变活性炭的表面性质，从而增强其对Cr(VI)的吸附与还原能力。

在本研究中，五种改性活性炭被制备并用于吸附Cr(VI)的实验。其中，经过过氧化氢处理的r-PAC-H?O?表现出最佳的吸附能力，达到11.94 ± 0.03毫克/克。这一优异性能主要归因于其较大的比表面积、较大的孔体积以及丰富的氧官能团。这些特性使得r-PAC-H?O?在与Cr(VI)发生相互作用时，能够提供更多的吸附位点，并促进更高效的结合过程。此外，实验还发现，在pH值为3的条件下，Cr(VI)的去除效果最佳，且吸附平衡在360分钟内即可达成。这表明，在实际应用中，调节废水的pH值是提高Cr(VI)去除效率的关键因素之一。

为了进一步揭示Cr(VI)的去除机制，研究团队采用X射线光电子能谱（XPS）技术对吸附后的材料进行了分析。结果显示，Cr(VI)在吸附过程中被还原为Cr(III)，随后与活性炭表面的氧官能团形成稳定的络合物。这一过程表明，吸附不仅仅是物理性的，还涉及到化学反应，即Cr(VI)在活性炭表面被还原，并与表面官能团发生化学结合。这种吸附-还原协同机制是提升Cr(VI)去除效率的重要因素，也为后续的吸附材料设计提供了理论依据。

此外，实验还探讨了其他因素对Cr(VI)去除效果的影响，包括废水中的硫酸盐和磷酸盐浓度。当硫酸盐和磷酸盐的浓度分别达到0.1摩尔/升时，Cr(VI)的去除效率得到了显著提升。这可能是因为这些阴离子在活性炭表面与Cr(VI)发生了竞争吸附或协同作用，从而优化了Cr(VI)的去除过程。这种现象提示，在实际应用中，废水的组成可能对吸附效果产生重要影响，因此在设计吸附系统时，需要综合考虑废水中的其他成分。

在再生性能方面，研究发现，使用0.001摩尔/升的氢氧化钠（NaOH）溶液对吸附后的材料进行再生，可以有效恢复其吸附能力，使得Cr(VI)的去除效率在三次循环后仍能维持在55%至85%之间。这一结果表明，经过改性的活性炭具有良好的可重复使用性，能够在一定程度上降低长期运行的成本。同时，再生过程中的稳定性也反映了改性材料在实际应用中的可靠性。

本研究的创新之处在于，首次在真实废水条件下系统地探讨了活性炭改性对Cr(VI)去除机制的影响。通过对比未改性活性炭和商业粉末活性炭（PAC）的性能，研究团队验证了改性活性炭在去除Cr(VI)方面的优势。这一研究不仅为工业废水处理提供了新的材料选择，也为活性炭的再利用提供了科学依据。此外，研究结果还为未来开发适用于大规模应用的新型吸附材料奠定了基础。

从更广泛的角度来看，本研究的成果具有重要的现实意义。随着全球对水污染问题的关注不断加深，传统的水处理技术正面临越来越多的挑战。例如，许多现有的处理方法成本高昂，且难以有效去除某些特定污染物。相比之下，利用废弃活性炭进行改性，不仅能够解决资源浪费问题，还能为水污染治理提供一种低成本、高效的解决方案。这种策略符合循环经济的原则，即通过资源的再利用和再循环，减少对新资源的依赖，降低环境污染的风险。

在环境保护和可持续发展的背景下，活性炭的再利用已成为研究的热点。然而，目前大多数研究集中在实验室条件下，缺乏对实际废水处理效果的系统评估。本研究通过模拟真实废水环境，评估了改性活性炭在实际应用中的性能，填补了这一领域的研究空白。此外，研究还探讨了不同化学处理方法对活性炭性能的影响，为未来材料的优化提供了方向。

在工业应用方面，改性活性炭的高吸附能力和良好的再生性能使其成为电镀废水处理的理想选择。电镀行业作为Cr(VI)污染的主要来源之一，其废水处理技术的改进对于保护环境和人类健康具有重要意义。通过采用改性活性炭，不仅可以有效去除Cr(VI)，还能减少对其他传统处理技术的依赖，从而降低整体处理成本。同时，改性活性炭的制备过程相对简单，且原料来源广泛，这使得其在大规模应用中具备较强的可行性。

本研究还强调了在废水处理过程中，吸附剂的选择与优化需要综合考虑多种因素，包括污染物的种类、废水的组成、处理条件以及吸附剂的再生能力。例如，不同的污染物可能需要不同的吸附剂类型，而废水中的其他离子或成分可能会对吸附过程产生干扰或促进作用。因此，在实际应用中，需要根据具体情况进行吸附剂的定制化设计，以确保最佳的处理效果。

从技术角度来看，化学改性为活性炭的性能提升提供了多种可能性。不同的改性方法可以针对特定的污染物进行优化，从而提高吸附效率。例如，酸处理适用于增强活性炭对有机污染物的吸附能力，而氧化处理则更适用于无机离子的去除。此外，某些改性方法可能具有协同效应，即多种处理手段的结合能够进一步提升吸附性能。因此，在未来的材料开发中，探索多种改性方法的组合应用，可能会带来更显著的性能提升。

在实际应用中，改性活性炭的性能表现不仅取决于其化学性质，还受到操作条件的影响。例如，pH值、吸附时间、初始污染物浓度等因素都会对吸附效果产生影响。因此，在设计吸附系统时，需要综合考虑这些参数，并进行系统的优化。此外，废水中的其他成分，如有机物、无机盐等，也可能对吸附过程产生影响，因此在实际应用中，需要对废水的组成进行详细的分析，以确保吸附剂能够充分发挥其性能。

除了吸附性能的提升，改性活性炭的再生能力也是其在实际应用中的一项重要指标。由于吸附剂在长期使用过程中会逐渐饱和，因此需要一种有效的再生方法，以延长其使用寿命并降低运行成本。本研究通过实验验证了NaOH溶液对改性活性炭的再生效果，表明在适当的条件下，吸附剂的性能可以得到有效恢复。这一发现为吸附剂的可持续利用提供了理论支持，也为工业废水处理中的吸附剂管理提供了实践指导。

总体而言，本研究通过系统性的实验和分析，展示了改性活性炭在去除Cr(VI)方面的潜力。不仅为工业废水处理提供了新的材料选择，也为活性炭的再利用和资源回收提供了科学依据。未来的研究可以进一步探索不同改性方法的组合应用，以及如何在不同废水条件下优化吸附剂的性能。此外，还可以考虑开发更高效的再生方法，以提高吸附剂的使用寿命和经济性。这些研究方向将有助于推动水处理技术的发展，为实现可持续的水资源管理提供更多的技术支持和解决方案。