【图文摘要】
【内容介绍】
重金属与氯酚复合污染已经成为重要环境污染问题之一，进入环境中的Cd(Ⅱ)和2-CP对人类健康具有重大危害，将其从环境中去除刻不容缓。但是目前针对Cd(Ⅱ)和2-CP的研究更多地集中在单独去除方向，包括Cd(Ⅱ)的吸附钝化和2-CP的吸附和光催化降解，有关两者同步去除的研究暂时还处于空白状态，因此研发一种新型吸附剂使其兼具Cd(Ⅱ)和2-CP吸附性能刚好可以填补上这个空白研究。以二氧化钛为原材料合成的TNTs对重金属离子具有优异的吸附性能，但是其对于2-CP却几乎不吸附，而AC对2-CP具有良好的吸附性，但是单一的AC对重金属没有吸附能力，因此我们考虑结合TNTs和AC的特性，扬长避短，制备活性炭负载钛酸盐纳米管双功能复合材料（TNTs@AC），使其同时具备Cd(Ⅱ)和2-CP的吸附性能。
基于实际工业废水中的检测情况和对人体的毒害性，本研究选取Cd(Ⅱ)和2-CP作为重金属和有机污染的代表污染物，通过吸附动力学、等温吸附、环境影响因素实验、表征分析等方式探究新型复合材料TNTs@AC对两种污染物的吸附性能，吸附机理和应用潜力。
1、TNTs@AC的形貌特征
TNTs@AC表面形貌和内部结构如图1所示，由图1a可以明显看出，AC呈现大块状结构，没有发现明显的孔隙或者凹陷，表面平坦、光滑，结构简单。而TNTs@AC的表面则是粗糙的，明显可以观察到堆叠的簇状物，由于簇状物的堆叠出现了明显的孔隙结构（图1b），透过簇状物的间隙可以观察到其是覆在一层光滑的AC表面，为进一步看清楚簇状物形貌，将这部分簇状结构局部放大得到图1c，此时可以清晰看到该簇状物是相互交织的管状结构，这符合了TNTs的特征，因此在TNTs@AC中，TNTs是堆叠交织在AC表面，除此之外还可以观察到管状结构旁边分布着大小不等的块状物，这是水热过程中破碎的小块活性炭，他们和TNTs之间相互黏着在一起。
图1 AC（a），TNTs@AC（b，c）的SEM图像和TNTs@AC（d）的TEM图像
Cd(Ⅱ)和2-CP在TNTs@AC上的吸附动力学图像如图2所示。由图可以看出，Cd(Ⅱ)和2-CP的吸附均在初始40 min内显示出快速吸附速率，而后吸附速率逐渐变慢，最终分别在180 min和300 min时达到吸附平衡。这种吸附速率先快后慢的变化是因为吸附初始阶段吸附剂表面吸附位点丰富，污染物的吸附不会发生位点的竞争，因此表现出快速吸附。吸附平衡后，在一元体系中，Cd(Ⅱ)和2-CP的吸附容量分别为113和40 mg/g，在二元体系中，Cd(Ⅱ)的吸附容量没有变化，但2-CP的吸附容量提高了7.5%。
图2 Cd(Ⅱ)（a）和2-CP（b）的吸附动力学
Cd(Ⅱ)和2-CP在一元和二元体系中的吸附等温线如图3所示，对于Cd(Ⅱ)的吸附，显然Langmuir模型拟合更好，且最大吸附容量为109 mg/g。图3a中一元，二元体系中Cd(Ⅱ)的Langmuir拟合曲线几乎重合，由此判断，2-CP的同步吸附并没有抑制其吸附容量也没有改变吸附机理。对于2-CP的吸附，双模模型拟合最合适，2-CP的最大吸附容量为52 mg/g。通过图3b可以看出同步吸附的Cd(Ⅱ)对2-CP吸附容量的影响与2-CP自身浓度有关。在10 mg/L Cd(Ⅱ)存在条件下，当2-CP初始浓度低于10 mg/L时，2-CP的吸附容量提高了15.7%。而当2-CP的初始浓度高于10 mg/L时，Cd(Ⅱ)可使2-CP的吸附容量降低5.6%。
图3 Cd(Ⅱ)（a）和2-CP（b）在一元和二元体系中的吸附等温
4、TNTs@AC对Cd(Ⅱ)和2-CP的吸附机理
基于XPS和红外表征分析，我们提出Cd(Ⅱ)和2-CP在一元和二元体系中吸附的可能机理。在一元体系中，Cd(Ⅱ)的吸附机理是TNTs上的-ONa/-OH基团的Na+和H+与Cd离子之间的离子交换。2-CP的主要吸附机制是与TNTs@AC中AC通过疏水作用进行表面络合，以及TNTs的孔填充作用。在二元体系中，Cd(Ⅱ)和2-CP的吸附位点不同，吸附过程没有竞争，吸附过程也不会发生络合，不会促进吸附进程。因此，二元体系中TNTs@AC吸附Cd(Ⅱ)和2-CP属于分工明确的同步吸附。
图4 TNTs@AC吸附前后全谱（a）、C 1s（b）、O 1s（c）、Na 1s（d）、Ti 2p（e）、Cd 3d（f）、Cl 2p（g）谱图
论文以“Simultaneous removal of Cd(II) and 2-chlorophenol from aqueous solution using activated carbon supported titanate nanotubes”为题在线发表于环境领域学术期刊Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects（https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2023.131756），硕士生邓先平同学主力贡献，欢迎感兴趣的同行关注。
