发布日期：2018-11-15 09:57 来源：活性炭网 作者：活性炭网 浏览数：
本研究的目的是研究使用活性煤基活性炭（CBAC）通过批量试验从水溶液中吸附Pb（II）的可行性。 研究了接触时间，pH，温度和初始Pb（II）浓度对Pb（II）吸附的影响。 Pb（II）吸附强烈
铅（Pb）是一种天然存在的有毒金属，存在于地壳中。由于其柔软性，高延展性，延展性，低熔点和耐腐蚀性，它广泛用于生产铅酸电池，合金，焊料，颜料，电缆护套，防锈剂，釉料，弹药和塑料稳定剂（邓等人，2007）。然而，它的广泛应用导致了广泛的环境污染，人类暴露和显着的公共卫生问题。当铅被意外吸入或摄入体内时，会导致严重疾病并对人体健康造成永久性损害（ATSDR 2013））。婴儿和儿童对铅的毒性作用非常敏感，并且可能遭受深远和永久的不利健康影响，特别是影响大脑和神经系统的发育。铅也会导致成人长期危险，如高血压，牙齿损伤和肾功能受损。暴露于高水平铅的孕妇可能导致流产，死胎，早产和先天性畸形（Sedighi等，2012）。没有确定安全的血液水平，应该消除和避免所有铅接触儿童的来源。饮用水中的铅浓度应至少低于当前美国环境保护署的0.05 mg / L的阈值水平（US EPA 2011））。因此，从废水中去除铅对于保护公众健康非常重要。化学沉淀，离子交换，溶剂萃取，植物萃取，超滤，反渗透和电渗析被认为是从水溶液中消除铅离子的传统方法。
近年来，各种低成本吸附剂对Pb（II）的吸收已成为众多研究的主要焦点。各种吸附剂，如农业和林业残留物（Singh等人，2014年），矿物材料（Unuabonah等人，2008年），微生物生物质（Feng等人，2013年），以及离子交换树脂（Demirbas等人，2005年）。已被用于从废水中去除Pb（II）。应该注意的是，迄今为止吸附是从废水中去除有毒金属的最常用技术。活性炭是一种黑色粉末状物质，具有发达的孔隙率，巨大的内部比表面积和相对高的机械强度，因此可以将其用作废水处理的良好吸附材料。迄今为止，通过使用来自不同来源的活性炭材料吸附去除Pb（II）已经做了很多工作（Wilson等人2006 ; Mohammadi等人2010 ; Wang等人2010 ; Huang等人2014） 。
然而，通过使用以无烟煤为原料制成的煤基活性炭（CBAC）对Pb（II）去除的研究很少。与其他碳质吸附剂相比，CBAC具有结构稳定性，机械强度高，耐磨性好，吸附能力低，易再生等优点。因此，本研究的目的是研究应用CBAC从水溶液中去除Pb（II）的潜力。进行批量实验以评估各种操作参数（时间，pH，温度和初始金属浓度）对Pb（II）吸附的影响，并且使用一些动力学和等温线模型来描述吸附过程。
CBAC粉末购自中国国清净水材料有限公司，并用作以下铅吸附实验的吸附剂。根据中国活化果壳碳标准。通过ASAP 2020（Micromeritics）测定CBAC孔结构和孔径分布。t-plot和Barrett-Joyner-Halenda（BJH）方法分别用于计算CBAC的微孔率和中孔率。Boehm滴定法用于表征CBAC的表面官能团（Boehm 1966）。FT-IR光谱用于检测CBAC中的振动频率变化。通过NICOLET iS10（Thermo Scientific）在500-4000cm -1范围内收集光谱使用KBr窗口。通过SEM（Model S-4800 Hitachi，Tokyo，Japan）观察表征CBAC表面的结构形态。
通过将硝酸铅溶解在蒸馏水中获得Pb（II）储备溶液（1000mg / L）。然后将该储备溶液稀释至所需浓度，并用0.1或1.0mol / L NaOH或HCl溶液将其pH调节至所需值。本研究中的所有化学品均为分析级，无需进一步处理即可按原样使用。
在一系列250mL Erlenmeyer烧瓶中进行批量吸附实验，以探索上述工艺变量对Pb（II）去除的影响。还进行了初步实验以确定每个变量的最小和最大水平。通常，将约100mL的Pb（II）溶液与已知量的CBAC粉末混合。此后，在热控旋转振荡器上以140rpm搅拌烧瓶。最后，取出平衡的溶液，通过离心将吸附剂与它们分离。通过Li等人提出的标准微量滴定方法定量溶液中残留的Pb（II）浓度。（2002）。所有实验重复两次或三次以确认结果并记录平均值。
通过使用以下等式计算CBAC粉末的Pb（II）去除效率和吸附容量：
其中Ad ％是Pb（II）去除效率; Q e和Q t分别是平衡时和时间t（min）时的吸附容量（mg / g）; C 0，C t和C e分别是初始Pb（II）浓度，时间t的液相Pb（II）浓度和平衡Pb（II）浓度（mg / L）; V是水溶液（L）的体积; W是吸附剂（g）的质量。
在动力学研究中通常采用伪一级和伪二级动力学模型。拟一级方程是描述Lagergren（1898）提出的液 - 固相吸附动力学过程的简单动力学模型。其非线性公式如下：
其中k 1是拟一级吸附的速率常数（min -1）。显然，Q e和k 1可以通过绘制Q t对t和进一步的非线性回归分析来计算出来。
基于吸附平衡能力的伪二阶模型可以表示为以下线性形式（Ho和McKay 1999）：
其中k 2是拟二级吸附的速率常数[g /（mg·min）]。显然，Q e和k 2可以通过绘制t / Q t对t 来实验确定。
Langmuir和Freundlich方程通常用于描述吸附等温线。Langmuir模型假定吸附均匀性，例如均匀的高能吸附位点，单层表面覆盖，并且相邻位点上的吸附分子之间没有相互作用（Langmuir 1918）。Freundlich等温是适用于非理想吸附到涉及多层吸附（Li等人。异质表面2012）。在这项研究中，Langmuir和Freundlich吸附方程都用于关联获得的等温线数据。
线性化Langmuir方程可表示如下：
其中Q max代表最大单层吸附容量（mg / g），b代表Langmuir吸附常数，它与吸附键能（L / mg）有关。
基于Langmuir方程的进一步分析，Langmuir吸附等温线可以使用通过以下等式计算的平衡参数（R L）来描述（Szlachta和Wojtowicz 2013）：
其中C 0是初始Pb（II）浓度（mg / L），b是前面提到的Langmuir常数（L / mg），R L参数是估算吸附是否不利的有用指标（R L > 1） ），线性（R L = 1），有利（0 < R L <1）或不可逆（R L = 0）。
线性化的Freundlich方程可以描述如下：
其中K F是指示吸附剂吸附容量的Freundlich常数（mg·（L / mg）1 / n），n是描述吸附强度的Freundlich指数（无量纲）。在Freundlich模型中，单层和多层吸附都被认为是在吸附过程中发生的。
热力学参数可以通过使用分配系数K d来计算，分配系数K d取决于温度。自由能（Δ的变化ģ 0），焓（Δ ħ 0）和熵（Δ 小号0相关的吸附过程）可以算出用以下三个方程（Zhang等人。2014）：
其中R是气体常数（8.314 J·mol / K），T（K）是绝对温度。就方程而言 11，Δ ħ 0并且Δ 小号0参数可以从LN的曲线的斜率和截距来推断ķ d与1 / Ť。
表 1显示了CBAC的特征。表1中显示的BET结果表明 活性炭具有相对高的比表面积（950m 2 / g），具有84.7％的微孔和15.3％的中孔结构。Boehm滴定结果显示CBAC表面富含羧基，内酯和酚基团。
CBAC的主要特点
| CBAC的特点 | 参数值 |
|---|---|
| 粗糙度（网格） | 40-80 |
| 强度 | ≥92％ |
| 多孔特性 | |
| BET比表面积（m 2 / g） | 950 |
| 总孔容（cm 3 / g） | 0.8 |
| 微孔（％） | 84.7％ |
| 中孔（％） | 15.3％ |
| 碘值（mg / g） | 800-1050 |
| 亚甲蓝值（mg / g） | 120-150 |
| 残余氯吸附率 | ≥85％ |
| 表面酸性含氧基团 | |
| 羧酸（mmol / g） | 0.346 |
| 乳酸（mmol / g） | 0.253 |
| 酚醛（mmol / g） | 0.197 |
通过SEM分析CBAC的表面形态（图 1a）。显然，材料表面具有均匀且发育良好的大孔结构，孔径为约2μm。由于Pb（II）离子的直径仅为约350μm，因此该孔径可以容纳大量的Pb（II）离子。
CBAC的表面特征：一个 SEM照片; b FTIR光谱
此外，总孔容高达0.8 cm 3 / g 的多孔结构以及高达950 m 2 / g 的高比表面积可导致Pb（II）的高效吸收。
CBAC的FTIR光谱图中给出 1个湾 在3374cm -1附近观察到的宽带是由于羟基的O-H伸缩振动，并且在约723cm -1处的吸收峰归因于其面外弯曲振动。1712cm -1处的吸收峰可归因于羧基中的C = O伸展。另一方面，出现在1016,1095和1242cm -1处的峰可能属于C-OH伸缩振动。这些结果表明在CBAC表面上存在相当多的羧基和羟基，这与上述Boehm滴定获得的结果一致。
接触时间对Pb（II）吸附到CBAC上的影响如图2所示 。可以看出，Pb（II）在CBAC上的吸附在10分钟内急剧达到约63％，然后在60分钟后观察到Pb（II）在CBAC上的吸附平衡。初始阶段的快速吸附速率可能与水溶液中的Pb（II）和CBAC表面上的Pb（II）之间的大浓度梯度有关，因为在这段时间内可以容易地获得相当大的空位。
接触时间对CBAC吸附Pb（II）的影响（温度：298 K; pH：5.0;初始Pb（II）浓度：150 mg / L; CBAC用量：1.2 g / L（w / v）;溶液体积： 100毫升）
为了研究Pb（II）吸附过程的潜在速率决定步骤，采用两种常用的动力学模型来拟合实验数据（图 3）。同时，计算出配件的相应模型参数，并列于表 2中。显然，与伪一阶模型相比，伪二阶模型的R 2值更接近1.0，尽管 从前者和后者得到的 Q e值都接近实验值（Q exp））。该结果表明Pb（II）吸附到CBAC上可以通过伪二阶模型而不是伪一阶模型很好地描述。在文献中已经报道了其他重金属吸附到其他碳质吸附剂上的类似结果（Li等人2014 ; Shekinah等人2002 ; Zou等人2015）。因此，可以得出结论，化学吸附可能是CBAC吸附Pb（II）的速率控制步骤。
伪一阶模型的非线性化形式图和伪二阶模型的线性化形式[温度：298 K; pH：6.0; 初始Pb（II）浓度：150 mg / L; CBAC用量：1.2 g / L（w / v）]
Pb（II）吸附在CBAC上的动力学参数
| 模型 | 参数 | 值 |
|---|---|---|
| 伪一阶 | k 1（min -1） | 0.1755 |
| Q e（mg / g） | 113.96 | |
| R 2 | 0.9741 | |
| 伪二阶 | k 2（g /（mg·min）） | 0.0046 |
| Q e（mg / g） | 116.41 | |
| R 2 | 0.9995 | |
| Q exp（mg / g） | 约 115 |
众所周知，溶液pH是影响吸附性能的主要因素，因为它影响吸附剂表面的电荷状态和溶液中重金属的离子化程度。Pb（OH）2在298K下的溶解度积常数值（K sp）为1.42×10 -20。根据溶解度产物原理，其后的临界pH值为Pb（OH）2沉淀开始指定为5.65。实际上，在我们的实际实验中，只有当pH值升高到5.94时才能发现白色沉淀。考虑到当pH值接近6.0时金属氢氧化物的沉淀形成，研究了在1.0至5.5的pH范围内的Pb（II）吸附（图 4）。
pH值对CBAC吸附Pb（II）的影响（温度：298 K;接触时间：60 min; Pb（II）浓度：150 mg / L; CBAC用量：1.2 g / L;溶液体积：100 mL）
显然，Pb（II）的去除是高度依赖于pH的，Pb（II）吸附的最佳pH值在5.0-5.5的pH范围内被发现，去除了92.96-93.62％的Pb（II）。当pH较低时，像羧基和羟基的CBAC表面上许多官能团被质子化，并在带正电的物质存在，这降低活性吸附位点的数量（Patnukao等人2008）。此外，带正电的官能团和Pb（II）之间的静电排斥可以延迟Pb（II）与吸附剂表面的结合。因此，Pb（II）在酸性溶液中的吸附是不利的。当pH增加时，一些质子化的-COOH和-OH基团逐渐去质子化并释放出更多的活性吸附位点，这可以促进Pb（II）与这些官能团的配位，从而增强Pb（II）的去除（Mouni等）。人2011）。此外，应该注意的是，物理吸附和化学吸附都可能参与Pb（II）吸附过程，因为CBAC具有多孔结构并且在表面上具有丰富的羟基和羧基。可以推测离子交换和配位可能在Pb（II）吸附过程中起重要作用。
为了确定吸附剂中Pb（II）水溶液和活性位点之间发生的吸附性质，将平衡吸附数据拟合到Langmuir和Freundlich吸附等温线中（图 5）。表3给出了Langmuir和Freundlich模型的等温常数（Q max，b，n和K F）和线性相关系数（R 2） 。显然，Langmuir模型的R 2值（0.9994）几乎接近1.0并且远大于Freundlich模型（0.8621）的R 2值。而且，推导出Q max的理论值（162.33mg / g）非常接近实际吸附容量（156.79mg / g）。因此，吸附平衡可以通过Langmuir吸附等温线而不是Freundlich吸附等温线来描述，这意味着Pb（II）的去除可能属于单分子表面吸附。
Langmuir（a）和Freundlich（b）吸附Pb（II）在CBAC上的等温线[温度：298 K; 接触时间：60分钟; pH：5.0; 初始Pb（II）浓度：50-300 mg / L; CBAC用量：1.2 g / L（w / v）]
Isotherm参数用于将Pb（II）吸附到CBAC上
| 模型 | 参数 | 值 |
|---|---|---|
| 朗缪尔 | Q max（mg / g） | 162.33 |
| b（L / mg） | 0.2647 | |
| R 2 | 0.9994 | |
| R L. | 0.0124-0.0702 | |
| 符合Freundlich | K F [（mg·（L / mg）1 / n）] | 48.8864 |
| ñ | 3.5211 | |
| R 2 | 0.8621 |
Q max是描述吸附剂吸附性能的关键参数。与其他报道的吸附剂（如活性椰壳碳）（表 4）相比，CBAC的吸附容量明显高于大多数报道的吸附剂，显示出CBAC去除Pb（II）的巨大潜力。在该研究中，R L值以方程式计算。 7并列于表 3中。所述ř 大号值的范围从0.0702至0.0124。该参数（0 <R L <1）意味着Pb（II）在CBAC上的吸附非常有利，并且CBAC是用于从水溶液中除去Pb（II）的合适吸附剂。
各种碳材料对Pb（II）吸附量的比较
| 吸附剂 | 吸附容量（mg / g） | pH值 | 参考 |
|---|---|---|---|
| 由棉秆制备的活性炭 | 119 | 4.5 | 李等人。（2010） |
| 来自榛子壳的活性炭 | 13.05 | 6.7 | Imamoglu和Tekir（2008） |
| Na 2 S·HNO 3改性活性炭 | 129.5 | 6 | 秦等人。（2011） |
| 花生壳活性炭 | 35.5 | 2.5 | 徐和刘（2008） |
| 活性炭由杏石发展而来 | 21.38 | 6 | Mouni等人。（2011） |
| 碳纳米管 | 102.04 | 五 | Kabbashi等。（2009） |
| 由椰子壳制备的活性炭 | 26.50 | 4.5 | Sekar等人。（2004） |
| 煤基活性炭 | 162.33 | 5 | 这项研究 |
实验分别在298,308和318K进行。当温度从298升至318K时，Pb（II）去除效率从92.96变化不到87.87％（图 6）。该结果表明CBAC对Pb（II）的吸附略微与温度有关。根据Eq。 9，Δ ģ 0为不同的温度值被计算出，这原来是-5.94，-5.68和-4.75千焦/摩尔，在298，308和318 K，（表 5）。负Δ ģ 0为所有温度值显示，铅（II）的上CBAC吸附可以自发发生。
温度对CBAC吸附Pb（II）的影响（时间：60 min; pH：5.0;初始Pb（II）浓度：150 mg / L; CBAC用量：1.2 g / L;溶液体积：100 mL）
CBAC上Pb（II）吸附的热力学参数
| Δ ħ（千焦/摩尔） | Δ 小号（j摩尔/ K） | Δ ģ（千焦/摩尔） | ||
|---|---|---|---|---|
| 298 K. | 308 K. | 318 K. | ||
| -23.67 | -59.68 | -5.94 | -5.68 | -4.75 |
该Δ ħ 0并且Δ 小号0为吸附过程值从LN中的情节衍生ķ d对1 / Ť（图 7 ;表 5）。Δ的正值ħ 0（-23.67千焦/摩尔）显示的Pb（II）吸附是放热过程。正Δ 小号0值（-59.56·J·摩尔/ K）暗示，在固-液界面在吸附过程中增加的有序和该吸附过程是可逆的。根据吉布斯-Helmholtz方程（Δ G ^ 0 =Δ ħ 0 - ŤΔ 小号0），从热力学的角度来看，可以推测焓而不是熵是吸附的驱动力。
ln K d ag的情节
该研究强调了使用含有羧基和羟基的多孔CBAC作为去除Pb（II）的有效吸附剂的潜力。吸附过程具有高度的pH依赖性，在5.0-5.5的pH范围内观察到去除了92.96-93.62％的Pb（II）的最佳去除。还研究了Pb（II）吸附动力学和等温线分析。结果表明，吸附过程遵循准二级动力学，并且快速进行仅需要60分钟达到平衡。Pb（II）在CBAC上的吸附等温线模型属于Langmuir等温模型，最大吸附量为162.33 mg / g。热力学计算表明，吸附过程本质上是有利的，自发的和放热的。结论，
Copyright © 2018 WWW.HXT7.COM 活性炭网 版权所有 桂ICP备15006904号-5
服务热线：13612777675 | 客服QQ：461763946 | 在线客服QQ：