活性炭的改性及对Pb%5E%282%2B%29的动力学吸附研究.pdf

第 卷 第 期化 学 研 究 年 月 活性炭的改性及对 的动力学吸附研究武存喜，白 净（延安职业技术学院，陕西 延安；西安长庆化工集团有限公司，陕西 西安）收稿日期：基金项目：陕西省职业技术教育学会课题（）；陕西省职业技术教育学会一般课题（）作者简介：武存喜（），男，副教授，研究方向为环境化学。通信作者，：摘 要：论文以活性炭为主体吸附剂，进行氯化铁改性，制备出氯化铁改性活性炭吸附剂，并通过、比表面积和孔体积进行表征。实验进一步探究改性活性炭对 的吸附能力，结果表明，当吸附时间为，吸附剂投加量为 ，为 时，吸附效果最佳。在此吸附条件下，改性活性炭对 的去除率达到。对改性活性炭吸附 进行动力学吸附研究，结果表明二级速率方程能够更好地描述其动力学吸附过程，吸附的机理可归结为氯化铁改性导致活性炭孔道结构中酸性官能团增加，使得金属阳离子与官能团上的 之间产生离子交换作用，有利于吸附的进行，这一实验结果为后期循环吸附研究提供了新依据。关键词：改性；活性炭；动力学吸附中图分类号：文献标志码：文章编号：（），：；我国近几年来十分重视环境的发展和优化，甚至在经济发展和环境发展两者中，更倾向于环境优先原则。水体污染是常见的环境污染，其中水体重金属污染更是关注重点。受到重金属污染的水经排放流经地表，渗透到田地里会影响农作物的生长造成生态污染，土壤植物系统为我们的生活以及生活的环境提供了强大的活力，但是在受到严重污染后也会慢慢衰退，甚至丧失产力。重金属元素主要包含了铅、铬、汞、镉等，这几种元素都带有一定的毒性，会引发污染，影响人类以及动物的正常发育和健康成长。人体内长期积累的铅离子，会导致神经细胞变性，也可能导致周：化学研究，（）：化 学 研 究 年围组织水肿等。严重铅中毒可能会引起肾小管上皮细胞退行性病变；长期食用含铬的食物容易进入人体细胞，在人体内蓄积具有致癌性并可能诱发基因突变。因此去除废水中重金属离子成为了一个关键且棘手的问题。活性炭是一种常见的多孔吸附剂，具有丰富的孔隙结构和优良的吸附性能。目前活性炭吸附法在处理含重金属离子的污水领域是比较好的一种方法，为了进一步提高活性炭的吸附性能，研究者开始通过改性方法提升吸附性能。等利用改性活性炭对废水中的氰化物等进行吸附研究，结果表明，对氰化物的吸附去除率大幅度提高，改性活性炭用量也从 减少到 。李湘洲等通过硝酸、硫酸对活性炭进行改性，并采用改性活性炭对（）进行吸附研究，实验结果表明，改性活性炭表面羧基与羟基等官能团数量明显增多，促使其对（）的吸附容量也明显增大。利用三氯化铁改性活性炭对重金属离子进行吸附性能研究较少。本文以氯化铁改性活性炭为吸附剂，探究改性活性炭对 的吸附能力，并深入探索改性后活性炭的应用价值。实验内容颗粒活性炭、氢氧化钠（）、盐酸（）、硝酸（），天津市天力化学试剂有限公司；硝酸铅（），天津市科密欧化学试剂有限公司；碘化钾（）、氯化铵（）、淀粉溶液、三氯化铁（），国药集团有限公司；自制二次蒸馏水。紫外光谱采用 型紫外分光光度计测试；红外光谱采用天 型红外光谱仪进行表征；样品的比表面积和孔体积采用 型氮气吸附 脱附仪进行测定；样品的形貌采用 型扫描电镜进行表征；样品的 分析采用 测定。称取三氯化铁 ，置于烧杯中，然后加入 蒸馏水，搅拌至完全溶解，配制成氯化铁溶液。然后将氯化铁溶液倒入锥形瓶中，并加入 活性炭，在 下加热回流 ，冷却，过滤，用无水乙醇和蒸馏水分别洗涤 次，直到溶液中加入淀粉碘化钾试剂不再变色即可。最后将固体干燥，并继续置于马弗炉煅烧 ，得到氯化铁改性活性炭。氯化铁改性活性炭对 的吸附研究 溶液的配制 配制 标准液：称取干燥的 硝酸铅置于烧杯中，加入适量蒸馏水，完全溶解后移入 的容量瓶中，同时向容量瓶中加入 的 盐酸，最后定容摇匀，经计算，溶液的浓度为 。实验中用吸附剂对金属离子的吸附量和去除率的计算公式如下所示。（）（）（）式中：代表平衡吸附量（）：溶液吸附后的平衡浓度（）：溶液吸附前的初始浓度（）：代表加入的活性炭的重量（）：代表去除率（）（）（）（）式中：时刻的吸附量（）：时刻的平衡浓度（）称取改性活性炭 ，加入到 浓度为 的 溶液中，调节 为，再将烧杯放入振荡机中恒温振荡、和，每个对应的时间点测定溶液中 的浓度，计算去除率。称取改性活性炭、和，分别加入到 的 的 溶液中，调节 为，再将烧杯放入振荡机中恒温振荡，测定溶液中 的浓度，计算去除率。称取改性活性炭，分别加入到 浓度为 的 溶液中，通过 的氢氧化钠和盐酸，调节溶液的 为、和，再将烧杯放入震荡机中恒温振荡 ，每个对应 下测定溶液中 的浓度，计算去除率。结果分析 红外光谱分析 图 是改性前后活性炭的红外光谱图，其中图 是改性前活性炭的红外光谱图，图 是改性后活性炭的红外光谱图。由图可知，改性前后活性炭红外光谱中在 处均有较强的吸收峰，归属于活性炭中 键的伸缩振动。而与改性前相比，改性后活性炭在 处出现了新的较宽的吸收峰，归属于 伸缩振动。峰的出现推测由于制备过程中，氯化铁水解形成羟基所致，进一步证明氯化铁对活性炭改性成功，并说明改性后，活性炭表面的酸性含氧官能团增加了。、比表面积和孔体积测定分析图 是改性前后活性炭的扫描电镜图，其中图：化学研究，（）：第 期武存喜等：活性炭的改性及对 的动力学吸附研究 图 改性前（）和改性后（）活性炭的红外光谱图 （）（）是改性前活性炭的扫描电镜图，图 是改性后活性炭的扫描电镜图。从图中明显可以观察到，改性前的活性炭表面相对平整，碎屑相对较少，孔隙结构比较完整。而改性后活性炭粗糙程度增大，且光泽度降低，孔隙内壁粘有大量碎屑，碎屑排列无序。表 为改性前后活性炭的比表面积和孔体积测定分析表，由表中数据可知，改性后活性炭比表面积与孔体积均有所减小，是由于改性后活性炭孔隙内填充了铁的氧化物所致。表 改性前后活性炭的比表面积和孔体积测定分析 吸附剂 比表面积（）孔体积（）活性炭改性活性炭图 改性前（）和改性后（）活性炭的扫描电镜图 （）（）吸附时间、吸附剂投加量、对吸附性能的影响 图 为改性活性炭在不同吸附时间下、不同吸附投加量下和不同 下的吸附性能图。由图可知，随着吸附时间的增加，改性活性炭的吸附去除率也在不断地上升。吸附时间在 时，吸附速度处于一种上升的状态，吸附时间超过 后，吸附速度有下降的趋势，确定改性活性炭吸附剂在 时达到了吸附饱和状态。随着改性活性炭投加量不断的增加，去除率处于先上升后缓慢下降的趋势，在吸附剂投加量为 时，去除率为最大。为 时，改性活性炭对 的去除率在不断上升，而 为 时，吸附去除率呈现下降的趋势，因此确定在 为 时达到了吸附饱和状态，此状态下去除率达到最高。综上所述，当吸附时间为 ，吸附剂投加量为 ，为 时，改性活性炭对 的去除率最高，吸附效果最好。动力学吸附研究在实验最佳的条件下，再进一步对吸附动力学进行研究，以便对吸附过程和机理进行探索。一级速率方程表达式：（），式中：代表平衡吸附量（）：代表 时刻的吸附量（）：代表一级吸附速率常数（），：代表平衡吸附量计算值 二级速率方程表达式：，式中：代表二级吸附速率常数（）：代表平衡吸附量（）：代表 时刻的吸附量（），：代表平衡吸附量计算值依据吸附时间在、和 各个时间点的 的剩余浓度，然后根据：化学研究，（）：化 学 研 究 年速率方程以及表 中的相关数据，可以对其进行速率方程拟合。图 吸附时间、吸附剂投加量、对吸附性能的影响 ，表 改性活性炭吸附 的一级、二级速率方程相关参数 吸附剂 （）（）（）改性活性炭 图 一级速率方程对吸附动力学的拟合 图 二级速率方程对吸附动力学的拟合 ：化学研究，（）：第 期武存喜等：活性炭的改性及对 的动力学吸附研究 表 改性活性炭吸附 的一级速率方程拟合参数 吸附剂，改性活性炭 表 改性活性炭吸附 的二级速率方程拟合参数 吸附剂，改性活性炭 图 和 分别是一级速率方程和二级速率方程对动力学吸附的拟合图，表 和 是二者的拟合参数表，经过一级、二级速率方程拟合分析可以明显得出，一级速率方程当中，改性活性炭的 为。二级速率方程中，为，吸附过程更符合二级速率方程模型。二级速率方程拟合计算中 与，数值相近，接近于，误差较小。因此，二级速率方程能够更好的描述二者的动力学吸附过程。结论以活性炭为主体吸附剂，进行氯化铁改性，合成出改性活性炭吸附剂，通过红外光谱、扫描电镜、比表面积和孔体积对其结构进行表征。进一步探究改性活性炭对 的吸附能力，对吸附时间、吸附剂的投加量以及 三个因素进行研究，结果显示，当吸附时间为 ，吸附剂投加量为 ，为 时，改性活性炭对 的去除率最高，吸附效果最好。在动力学吸附实验过程中，由实验数据得出二级速率方程能够更好的描述二者的动力学吸附过程，这一实验结果为废水中重金属离子的去除起到一定的借鉴作用。参考文献：韦熠 论对广西有色金属冶炼业加强监管的必要性大众科技，（）：，（）：朱坤娥，王海北，李艳荣，等 铅锌冶炼重金属废水处理技术研究进展 中国资源综合利用，（）：，（）：陈灵智，吴瑞红，王燕，等 活化玉米芯基活性炭的制备与表征 炭素技术，（）：，（）：，（）：，：舒颖，吴彩斌，胡雪峰，等 粉煤灰活性炭处理含铜废水的性能 环境化学，（）：，（）：刘斌，顾洁，邱盼，等 稻壳活性炭对水中染料的吸附特性及其回收利用 环境科学学报，（）：，（）：王正芳，郑正，罗兴章，等 活化法制备互花米草活性炭 环境化学，（）：，（）：，（），：，：，（）：舒艳，李科林，宋金风，等 狭叶香蒲活性炭对 与的吸附及机理分析 环境工程学报，（）：，：化学研究，（）：化 学 研 究 年 ，（）：，：，（），（）：，：，：，（）：李湘洲，肖建军 活性炭表面改性及其对（）吸附性能的研究 化工进展，（）：，（）：，：，（）：，（），（）：，（）：张金利，刘大伟，杨庆 骨炭对（）的吸附特性 环境工程学报，（）：，（），（）：责任编辑：吴文鹏：化学研究，（）：