來源：韓研活性炭網 作者：韓研活性炭網 2017-08-30
本文介紹活性炭的硫化橡膠涂層上固定化汞的可及性，自然界中的汞物質包括各種復合物，例如水中的HgCH 3 +，HgS o和膠體NOM(天然有機物質)，接合的汞以及固相中的粘土(或其他顆粒物質)水銀。由于汞離子與天然有機物質之間的穩定常數與汞離子和還原硫基團之間的穩定常數相當，預期NOM與有機富沉積物中的大部分汞離子相關。盡管總汞的生物可利用部分尚未被充分表征，但許多研究表明，沉積物中顆粒物質的汞吸附降低了甲基化細菌中汞的生物利用度。然而，通過溶解的有機物(DOM)，溶解的微溶荊芥具有潛在的生態風險。
使用微x射線熒光(μ-XRF)成像技術和數學模型研究了與聚硫化橡膠涂覆的活性炭(PSR-活性炭)反應后的汞離子的深度分布。μ-XRF結果表明，在10ppm HgCl 2中用PSR-活性炭處理三個月后，汞從顆粒外部濃縮至0?100μm水溶液。邊緣光譜(μ-XANES)分析的μ-X射線吸收表明HgS是主要的汞物質，表明顆粒內汞運輸涉及與PSR聚合物的化學反應。
前關于疏水性有機化合物(HOC)到活性炭的顆粒內擴散的研究顯示了HOC分子的吸附阻滯徑向擴散，其中溶質使用大孔和微孔擴散的平行過程描述了通過顆粒的傳輸。由于較大的擴散系數和較小的活性炭/水分配系數，氯化汞可以比疏水化合物更快地擴散到活性炭中。然而，活性炭表面改性或反應成分輸入到活性炭可能會顯著阻礙汞離子通過表面反應的擴散。
通過活性炭上的聚硫橡膠(PSR)涂層可以增強活性炭的汞離子去除效率，因為汞離子與PSR聚合物中的硫原子形成化學鍵。然而，不清楚反應主要發生在邊緣和顆粒外部，如在礦物的金屬絡合模型中，或者汞離子是否能夠穿過PSR-活性炭，粒子擴散。由于活性炭上的聚合物涂層可以改變孔隙度和溶質延遲的程度，PSR-活性炭顆粒內的汞運動預期取決于活性炭中的聚合物分布。如果聚合物涂層用薄的硫聚合物膜密封外表面，則PSR-活性炭中的汞擴散速率應與PSR薄膜中的相同。如果PSR聚合物更均勻地分布在整個活性炭顆粒中，則反應位點密度在整個顆粒上應該是相當均勻的。因此，PSR-活性炭顆粒內的汞傳輸將類似于HOCs延遲擴散到具有較小孔隙率和不同分配系數的汞離子的活性炭顆粒中。本研究的目的是通過具有多硫化橡膠的反應性多孔吸附劑了解汞離子的微尺度運動。結果表明汞離子進入PSR-活性炭的反應性粒子間擴散，其在概念上類似于疏水性有機化合物到原始活性炭的顆粒內擴散。
PSR-活性炭的粒子分析
表1總結了聚合物涂覆PSR之前和之后的活性炭的體積性質。聚合物涂層后，微孔表面積顯著減小，并且由于孔隙填充效應，顆粒密度增加。假設PSR-活性炭的微孔面積(占總BET面積的1.4%)對整個反應的貢獻是可以忽略的，主要的顆粒內汞運輸過程應該與大孔相關聯，這些大孔有助于相對快速地輸入汞離子水相。如果PSR堵塞顆粒內部的一些大孔，則微孔表面積的減小可能是由顆粒芯中形成的死體積導致的。然而，根據圖1所示的μ-XRF獲得的橫截面硫分布，PSR聚合物覆蓋整個顆粒的活性炭表面。這導致硫的相當均勻的分布。因此，為了評估PSR-活性炭的性能，不需要創建依賴于PSR深度輪廓的更多建模參數。
活性炭μ-X射線熒光成像
圖1所示的μ-X射線熒光圖像顯示了穿過PSR-活性炭顆粒的硫和汞的分布。硫均勻分布在顆粒上，而汞濃縮在約100μm深層。兩個圖像的疊加顯示汞層不是顆粒外部汞沉淀的結果，但汞與硫原子具有相同的區域。在線性組合XANES擬合的基礎上，大部分汞作為HgS存在(表S1)，表明PSR-活性炭中的汞運輸伴隨著PSR與汞之間的化學反應。我們以前的研究也發現了類似的結果。這驗證了汞吸附反應在傳質模型中的應用。圖1左下角的顆粒與其余的顆粒相比具有稀疏的硫分布。然而，它具有較低濃度的較厚的汞層。這個發現定性地說明了低硫密度(即，汞離子的反應位點數量較少)和對液相的更好的內部連接似乎促進了汞的更快的擴散。
本研究結果表明，反應介導的粒子間擴散與汞離子與PSR-活性炭的固定過程有關。表面介導的化學反應的存在由μ-XANES分析支持，顯示PSR-活性炭顆粒內的總汞離子的大部分為HgS形式。數學建模結果提供了PSR-活性炭顆粒中汞深度分布的粗略估計，但表明汞離子擴散不能用簡單的Langmuir模型描述，或完全由動力學吸附模型描述。Langmuir模型在最大程度的延遲下證明了汞離子的命運，預測了汞轉運速度要慢得多。動力吸附模型是用于估計汞深度分布的強大工具，不具有快速到慢速的反應位點比，擴散系數和反應常數的實驗值。本研究中的動力吸附模型與觀察到的汞深度剖面有一些差異。這可能是由于快速和慢速反應位點之間的表面擴散系數和溶質交換速率的變化取決于在三個月內變化了三個數量級的含水濃度。由于天然水的汞濃度變化范圍較小，所以動力學吸附模型預期更適合于天然水體系。因此，利用動力學吸附模型來理解具有相應分配系數的其他具有未知擴散系數的小型中性汞物質的微觀尺度運動是合理的。本研究結果表明，當實際反應時間少于幾個月時，應使用較小的PSR-活性炭粒徑來充分利用PSR涂層表面。
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