NKA-Ⅱ樹脂吸附苯甲酸的動力學研究

劉 蘭 彭 瀚

(廣東石油化工學院，化學工程學院，廣東 茂名 525000)

苯甲酸是一種重要的有機化工原料，在食品加工、醫藥、化工等方面具有廣泛的應用，故苯甲酸在工業廢渣、廢液中廣泛存在。因苯甲酸廢水可能致癌、致畸、致突變等，故苯甲酸的排放給環境帶來污染，對環境造成危害。目前對苯甲酸廢水的傳統處理方法包括氧化法、生化法、萃取法等，但是這些處理技術大多存在設備復雜、運行成本高等不利因素。

吸附法是處理水中有毒有害有機物的最常用的方法之一。已見報道的苯甲酸吸附劑有活性炭、礦土、大孔樹脂、水底污泥、磺化煤和硅膠等[1～4]。大孔吸附樹脂處理廢水，具有性能穩定、處理效率高等優點[5,6]。本文以NKA-Ⅱ樹脂作為回收苯甲酸的吸附劑，研究NKA-Ⅱ樹脂對水溶液中苯甲酸的吸附性能，探討樹脂對苯甲酸的吸附機理。

1 實驗材料和儀器

NKA-Ⅱ 吸附樹脂，南京大學環境學院研制。

主要藥品：乙醇，苯甲酸和氫氧化鈉，皆為分析純。

主要儀器：DF-Ⅱ集熱式磁力攪拌器，AB204-N電子分析天平，JA2003型電子天平和電熱恒溫干燥箱。

2 實驗方法

2.1 樹脂預處理

2.2 靜態平衡吸附

稱取NKA-Ⅱ吸附樹脂置于錐形瓶中，加入含苯甲酸廢水溶液，置于恒溫水浴振蕩器中，震蕩1h。取平衡溶液，用標準氫氧化鈉溶液滴定，根據消耗量計算平衡濃度，再根據公式(1)計算平衡吸附量[7～9]。

Qe=(Co-Ce)V/m

(1)

式中：Qe——平衡吸附量，mol/g；

Co、Ce——吸附質的初始濃度和平衡濃度，mol/L；

V——溶液的體積，L； m——干樹脂的質量，g。

2.3 吸附動力學實驗

NKA-Ⅱ吸附樹脂置于錐形瓶中，加入含苯甲酸廢水溶液。在吸附溫度分別為298，308和318K的條件下，于預先設定好的恒溫水浴震蕩箱中，分別在不同時間段取樣測定溶液濃度,直至吸附平衡。根據公式(2)計算瞬時吸附量[7,8,9]。

Qt=(Co-Ct)V/m

(2)

式中：Qt——t時刻的吸附量，mol/g；

Ct——t時刻的溶液的濃度，mol/L。

3 實驗數據記錄與分析

3.1 吸附動力學方程的計算

根據經典的吸附等溫方程 Freundlich 方程:lnQe=lnKf+lnCe/n，對實驗數據進行擬合分析，式中Kf及n是特征常數。擬合得到Freundlich等溫吸附方程的相關參數如下表所示。

表1 Freundlich吸附等溫方程擬合結果及參數Table 1 Freundlich adsorption isothermal equationto match the results and parameters

由表1可知，在測定的溫度范圍內，NKA-Ⅱ樹脂吸附苯甲酸的特征常數n>1，說明NKA-Ⅱ樹脂對苯甲酸的吸附為“優惠吸附”。擬合得到的等溫方程均能較好地描述樹脂的吸附，所以計算結果是可信的，也說明了NKA-Ⅱ樹脂對苯甲酸的吸附等溫線符合Freundlich方程。

3.2 吸附動力學研究

評價吸附材料性能優劣的根據之一就是吸附速率的快慢。為了分析在不同溫度下NKA-Ⅱ大孔吸附樹脂對于苯甲酸的吸附速率情況，用一級動力方程來模擬吸附過程。NKA-Ⅱ大孔樹脂在不同溫度下，吸附量隨時間的變化見下表。

表2 苯甲酸在NKA-Ⅱ大孔樹脂上的吸附量數據表Table 2 Adsorption of benzoic acid on NKA-Ⅱ macroporous resin

圖1 苯甲酸在NKA-Ⅱ大孔樹脂上的吸附一級動力學曲線Fig.1 The first order kinetic adsorption curve ofbenzoic acid on NKA-Ⅱ macroporous resin

圖中吸附量隨時間類似為指數形式，表明為一級吸附動力學特征，NKA-Ⅱ樹脂在開始前20 min吸附速率較大，之后吸附趨于平衡。說明樹脂吸附苯甲酸較快。在初始階段(吸附速率較大)，吸附動力學數據符合如下準一級吸附方程。

ln[Qe/(Qe-Qt)]=Kt

式中：Qe—————平衡吸附量，mol/g；

Qt—————t時刻的吸附量，mol/g；

K——————速率常數，min-1。

速率常數K的數值可以用ln[Qe/(Qe-Qt)]與時間t擬合直線的斜率計算出來。

根據Arrhenius方程lnK=-Ea/RT+lnA，計算得出表觀活化能。式中，Ea為表觀活化能，A為指前因子。通過測定不同溫度下的速率常數K值，再以lnK與1/T作圖，由直線的斜率和截距便可求得出Ea和A。有關方程及其參數見表3所示。

由表3可得出，NKA-Ⅱ大孔樹脂吸附苯甲酸的速率常數隨著溫度的升高而先降低再增加。吸附活化能Ea<3.0 kJ/mol，說明了吸附較容易進行。

表3 NKA-Ⅱ樹脂吸附苯甲酸的吸附一級方程擬合結果Table 3 The matching results of the first order adsorptionequation of benzoic acid on NKA-Ⅱ resin

3 結 論

(1)NKA-Ⅱ樹脂吸附苯甲酸的特征常數n>1，說明NKA-Ⅱ樹脂對苯甲酸的吸附為“優惠吸附”。NKA-Ⅱ樹脂在開始前20 min吸附速率較大，之后吸附趨于平衡。說明樹脂吸附苯甲酸較快。

(2)NKA-Ⅱ樹脂對苯甲酸的吸附等溫線符合Freundlich方程。吸附量隨時間變化類似為指數形式，表明為一級吸附動力學特征，在初始階段(吸附速率較大)，吸附動力學數據符合準一級吸附方程。

(3)吸附活化能Ea為130.7 J·mol-1，小于3.0 kJ/mol，說明了NKA-Ⅱ樹脂吸附廢水中的苯甲酸較容易進行。

[1] 黃輝,劉義武,邱勝紅 等. 果膠鋯凝膠球對苯甲酸的吸附性能研究[J]. 離子交換與吸附,2015,(01):64～73.

[2] 劉寶鑒,楊帆,鄒遠興. 金屬有機骨架材料對水中有機酸的吸附性能[J]. 化工環保,2016,(03):268～271.

[3] 劉玲,何小麗. 焙燒型鎂鋁雙金屬氫氧化物對水中苯甲酸的吸附行為[J]. 日用化學工業,2015,(03):127～131+160.

[4] 邢蓉,張彤,費正皓 等.FDU-15介孔材料對水溶液中苯甲酸的吸附研究[J]. 離子交換與吸附,2013,(06):505～515.

[5] 陶為華,王敏.聚乙烯吡啶樹脂對苯甲酸的吸附性能研究[J]. 分子科學學報,2014,(06):497～503.

[6] 張守軍,王榮申,盧燕 等.大孔樹脂靜態吸附香椿子多酚的熱力學與動力學特征[J]. 中成藥,2016,(11):2 370～2 374.

[7] 楊利敏,汪灃,楊自玲 等.苦蕎黃酮在大孔樹脂DM-2上的吸附特性的研究[J]. 食品研究與開發,2016,(05):32～35.

[8] 孫越,羅軍芬,崔巍 等.大孔樹脂對2-萘胺-3,6,8-三磺酸的吸附性能[J]. 東南大學學報(自然科學版),2016,(04):818～822.

[9] 劉清清,閻怡竹,楊海霞 等.大孔吸附樹脂對蜂蜜中擬除蟲菊酯脫除的熱力學性質研究[J]. 食品與發酵工業,2016,(12):57～61.