吸附

2.4.4.1 活性碳與沸石

活性碳(Activated carbon, AC)的主要成分為碳，並摻有少量的氫、

氧、氮、硫等化合而成，表面屬於多孔性物質，結構則為碳所形成的六 環狀物，粒形可以從圓柱形粗顆粒到細粉末粒子，故有粒狀及粉末狀兩 種型態。活性碳的製作過程含碳化(Carbonization)和活化(Activation)，碳 化的目的為去除其中的水份，使有機物碳化。碳化步驟通常在500~750 °C 的高溫與無氧的條件下進行。活化步驟需經過熱處理，通入的氣體大部 分採用蒸氣、二氧化碳或是二者的混合物，反應溫度約 750~1000 °C (Suzuki et al., 1978)。活性碳對吸附質達到吸附平衡並非瞬間完成，應受 到吸附質之吸附-在吸附作用與吸附速率與吸附量與吸附質及吸收劑，兩 種機制有密切關聯。

研究顯示未經處理之AC，吸附過氯酸鹽能力是受限的，但加入陽離 子界面活性劑可將過氯酸鹽吸附至0.1 mg/L 以下。經改質後的活性碳去 除過氯酸鹽再生性與未經處理之活性碳相比，經改質之活性碳再生性 30 次左右，顯示其再生性比一般活性碳良好(Parette and Cannon, 2004)。表 2-2 說明活性碳與沸石對過氯酸鹽之應用性。在水處理應用上，增加活性 碳之表面電荷與比表面積，可增加過氯酸鹽之吸附量。飽和吸附量與應 用性為影響活性碳可行之重大因素(Parette and Cannon, 2005)。

GAC(顆粒狀活性碳)具相當大的比表面積、多孔結構、多樣的表面物 性及化性、高緩衝能力、高硬度及低壓損等優點。常被做為處理污染物 質的良好吸附劑或異相催化反應之催化劑。活性迷你管柱實驗(RSSCT)，

其空床接觸時間(EBCT)為一重要設計因子，當 EBCT 愈長則貫穿時間愈 長，單位活性碳重所能去除的過氯酸鹽也越高。

一般GAC 的 BV 範圍為 20000~40000 BV(cm³ )，而加入CTAC(基三 甲基氯化銨，陽離子界面活性劑)改質過後，可增加為 170000~270000 BV，並可同時有效地去除水中其它污染物。例如：環三次甲基三硝銨(可 當炸藥)與過氯酸鹽(Parette and Cannon, 2005)(表 2-2)。其影響過氯酸鹽被 吸附於活性碳之因素在於溫度改變會導致其比表面積改變，而pH 值會改 變表面所帶的電荷 (Chen et al., 2005)(表 2-2)。

表 2-2 活性碳與沸石吸附過氯酸鹽之應用性之情形

75 ppb RSSCT 27000~35000BV 1 ppb

70~78ppb RSSCT SAI-700-60

0.85~5.6 ppm RSSCT pH:9.6± 0.2

4000~4700ppm 150 rpm 批次吸附 pH:7、12

3400 ppm Zhang et al., 2007

*RSSCT:活性迷你管柱實驗

界 面 活 性 劑 種 類 當 中 ， 十 六 烷 基 三 甲 基 銨(Hexadecyltrimethyl ammonium, HDTMA)，其化學式：[C₁₆H₃₃N(CH₃)₃]Br，分子量為 364.45，

其結構式如圖 2-7 所示，是以十六個碳的碳鏈為疏水基，而另一端帶正 電之trimethylammonium 為親水基，屬於陽離子界面活性劑。

圖2-7 Hexadecyltrimethyl ammonium (HDTMA)化學結構式

研究顯示，陽離子界面活性劑結合零價鐵，可有效去除過氯酸鹽等 含氯有機物。以零價鐵結合 HDTMA，HDTMA 陽離子表面帶正電荷，

過氯酸鹽屬於陰離子，表面帶負電，可先被吸附於 HDTMA 上，而零價 鐵再釋出電子還原過氯酸鹽，再利用離子交換作為後續處理之方法 (Alessi and Li, 2001)。

天然沸石，為含有高鋁矽酸鹽氫氧化物之礦石，具有高比表面積與 高的陽離子交換能力(CEC) ，可吸附正電離子，且所吸附的正電離子可 被其他正電離子交換取代的能力。改質過的沸石(SMZ)在添加界面活性劑 後，可增加吸附過氯酸鹽之能力。一般的活性碳，可能經過高溫焚燒後 就可以處理。但沸石經過高溫處理，使之本身吸附的污染物脫附後再重 覆使用，則需改變其它本身的結構(Zhang et al., 2007)(表 2-2)。

2.4.4.2 鋁氧化物之物化特性

元素鋁在水中解離後形成鋁氧化物，當鋁氧化物與水分子接觸時，

氧化物之不飽和鍵將進行氫氧化作用(Hydroxylation)，然後藉著氫鍵與周 圍之水分子形成單一分子膜，此作用稱為水合作用(Hydration)，於表 2-3 所示

。

研究顯示，可於不同合成方法形成不同類型形狀之氧化鋁，其中 β 型氫氧化鋁(Bayerite)結晶有相當多的形狀，從圓錐狀(Cone)、楔形 (Wedge)、棒狀(Rod)、到沙漏狀(Hourglass)等。Bayerite 為不同的結晶 OH -和 Al³⁺ 雙層數被堆積形成三維晶格體所構成的 Al(OH)₃氫氧化鋁層數堆 積樣式(圖 2-8 所示) (Sposito, 1999)。

表2-3 鋁在水中解離後形成鋁化合物之反應(Sposito, 1999) 元素鋁可形成的化合物

4 Al + 3 O2 = 2 Al2O3 (灰白色) Al³⁺ + 3 OH^- = Al(OH)3 (白色) 4 Al + 6 HCl = 2 Al₂Cl₃ + 3 H₂ (白色)

圖2-8 氫氧化鋁

Bayerite

晶格結構圖(Schoen, 1970)

在已形成氫氧基或水合之氧化物表面，可藉由吸脫附H⁺或 OH ^– 而 使表面帶有電性。因此，H⁺與 OH^– 為氧化物表面電位之決定因子 (Potential determining ions)。換言之，鋁氧化物表面之化學特性，乃取決 於表面之氫氧基及水溶液中之陰、陽離子(Chan et al., 1975)。

2.4.4.3 氫氧化鋁吸附金屬離子與無機陰離子

對於可利用鋁之物化特性處理廢水而言，鋁在水中形成之氧化物型 態相當重要，其應用性與比表面積及表面電荷有關。氫氧化鋁經改質後，

可做吸附劑或催化劑，可用在處理工業廢水或當氧化還原之催化劑(Rich, 1968；Hodges and Zelazny, 1983；Hsu and Bates, 1964)。

氫氧化鋁可吸附金屬離子，其決定於pH 值高低。在一定的 pH 值範 圍內，可迅速吸附污染物，金屬濃度高低亦影響其吸附能力，當濃度太 高易達到飽和吸附量(Benjamin et al., 1982)。氫氧化鋁吸附銅離子，其表 面帶負電荷時，可吸附帶正電荷之銅離子，若同時存在鉛與鋅離子時，

則氫氧化鋁對金屬離子有高選擇性。當高濃度磷酸鹽於溶液中，會競爭 氫氧化鋁對銅離子吸附，其原因讓表面孔隙體積變小與表面電荷改變，

導致吸附能力降低(McBride, 1982)。Fogler 與 Srinivasan 研究顯示，經過 改質並合成之氫氧化鋁黏土，其表面比表面積增加，可用來吸附多氯聯 苯與戴奧辛(Fogler and Srinivasan, 1988)。其可吸附該污染物，在於表面 孔隙體積及表面化學組成，此吸附方法與前上述之GAC 吸附過氯酸鹽(表 2-2)方法相似。

當處理廢水時，添加多元氯化鋁，可增加混凝沈澱有助於膠羽形成。

而這些殘留在廢水中之氯化鋁被再生改質後當吸附劑。反應一天後，可 吸附10 mg/L 過氯酸鹽，其去除率 76%達到飽和。其原因與表面帶的電 荷有關(Konstantinos et al., 2006)。

不同型態之氫氧化鋁，在適當的 pH 值、濃度高低、氫離子/氫氧根 釋放條件下，可吸附陽離子，例如錳、鎂、鉛、銅、鋇等等。以無機陰 離子來說，磷酸根、硝酸根等一些無機陰離子(Sposito, 1999)。氫氧化鋁 對於環境污染物為一種有前瞻性的吸附劑。

在文檔中 利用零價鋁金屬去除過氯酸鹽之研究 (頁 33-39)