物理化學實驗-活性炭在醋酸溶液中的吸附實驗研究

張光輝 張拴 孟慶華

摘 ?????要：對物理化學實驗-活性炭吸附醋酸實驗進行改進，探索影響實驗因素，利用Design-expert8.0軟件對實驗條件進行優(yōu)化。利用單因素實驗考察溫度、活性炭粒度大小、吸附時間、活化時間對吸附量的影響，考察改進前后的對比，確定最佳實驗條件。溫度升高，吸附能降低，攪拌效果比振蕩效果更好，粒度越小，吸附能力越強，但是粒度過小，過濾速度慢，最終確定粒度大小40～60目、攪拌60 min吸附趨于平衡，80 ℃活化時間控制在120 min以上，實驗效果最佳。 此實驗改進方案儀器設備簡單，操作簡便，數(shù)據準確，值得在全院范圍內進行推廣。

關 ?鍵 ?詞：活性炭;醋酸;溫度;粒度大小;吸附時間;活化時間

中圖分類號：TQ016.1 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號：1671-0460（2019）03-0484-04

Abstract： In order to improve the experiment of physical chemistry experiment-the adsorption of acetic acid on activated carbon， the influencing factors were explored， and the experimental conditions were optimized by using the software of Design-exchange 8.0. At first， the effect of temperature， particle size， adsorption time and activation time on the adsorption was investigated by single factor experiments. The results showed that， the temperature increased， the adsorption energy decreased， and the mixing effect was better than that of the oscillation. The smaller the particle size， the stronger the adsorption ability， but the smaller the particle size， the slower the filtration speed， and the suitable size of the particle was 40～60 and suitable stirring time was 60 min. When the activation time at 80 °C was above 120 min， the experimental effect was the best. The improved experiment is simple， simple and accurate， and is worth popularizing.

Key words： Activated carbon;Acetic acid;Temperature;Particle size;Adsorption time;Activation time

固液界面吸附是藥學類專業(yè)物理化學課程常見的實驗項目之一，其分為分子吸附和離子吸附[1-3]。分子吸附就是非電解質及弱電解質中的吸附，而離子吸附是指強電介質溶液中的吸附。通常，把被吸附的物質稱為吸附質，把具有吸附作用的物質稱為吸附劑。充當吸附劑的物質一般都是多孔性的，具有較大的比表面吉布斯函數(shù)[3]。固液界面吸附比較復雜，影響因素也比較多。常見的吸附等溫式包括朗格茂吸附等溫式、弗勞因特立希等溫式（Freundlich），BET吸附等溫式[4-7]。中醫(yī)藥院校現(xiàn)行物理化學實驗教材關于吸附實驗多為活性炭在醋酸溶液中的吸附。實驗采用活性炭吸附醋酸溶液中的醋酸，即在一定溫度下，根據弗勞因特立希吸附等溫式，研究活性炭在中等醋酸溶液中的吸附情況，通過測定一定量吸附劑在一定濃度醋酸溶液中吸附前濃度和吸附平衡濃度，計算單位質量的吸附量x/m，以lgx/m對lgc作圖，得到一條直線，利用直線的斜率和截距分別可以求出k和n的值[4]（k和n是與吸附質、吸附劑及溫度有關的常數(shù)），進而得到吸附等溫式（1）。

根據多年實驗教學發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行教材內容在實驗過程中未考慮溫度的波動、活性炭的粒度大小[8-10]對實驗結果的影響，同時活性炭在空氣中也會吸附氣體分子，導致吸附能力降低，活化時間長短也會影響實驗結果，并且吸附需要一定的時間[11]，導致實驗效果很不理想。在教學改革中，團隊在2013-

2015三年間，對藥物制劑班此實驗內容進行了改進，將以前的常溫振蕩改為恒溫水浴磁力攪拌，并且考察了活性炭粒度大小、吸附時間、活化時間，并且通過對比比較了攪拌和振蕩效率，利用平衡吸附量來衡量實驗效果，并采用Excel軟件進行數(shù)據處理，通過響應面法對實驗條件進行了優(yōu)化，最終達到了較好的效果，2016年已在我院藥物制劑、制藥工程、中藥學、中藥資源與開發(fā)等專業(yè)全面推廣，達到了良好的效果，并且因此獲得學校教學成果二等獎。

1 ?實驗材料

恒溫磁力攪拌器HJ-3A（成都鑫眾通科技有限公司）;KS-振蕩器（常州市國旺儀器制造有限公司）;活性炭（不同批次）;SHZ-D（III）循環(huán)水式真空泵（上海凌科實業(yè)發(fā)展有限公司）;電子天平PractumXXX-1CN（天津市祥曦科技有限公司）;酚酞（AR）;醋酸（AR）;NaOH （AR）。

2 ?方法與結果

我院物理化學實驗活性炭對在醋酸溶液中的吸附，沿用中國中醫(yī)藥出版社物理化學實驗教材（第4版）實驗方案，采用的方法為稱取活性炭2.000 g，倒入250 mL的磨口瓶中，然后加入一定量的醋酸溶液，在室溫下振蕩器振蕩90 min，然后過濾，移取一定量的濾液用標準NaOH溶液標定確定平衡濃度。利用公式（1）作圖，求k和n值，確定吸附公式。以我校2016級藥物制劑專業(yè)學生實驗為研究對象，對全班實驗數(shù)據進行整理分析。為了保證實驗數(shù)據的可靠性，學生實驗完畢數(shù)據進行簽字確認。

2.1 ?方法

2.1.1 ?溫度對結果的影響

現(xiàn)行實驗指導書未考慮環(huán)境溫度的微小波動對吸附的影響。故本實驗通過恒溫磁力攪拌水浴控制溫度，設計了20.0、20.5、21.0、21.5、22.0 ℃來探索溫度的測定結果與室溫測定結果進行對比，探討溫度的微小改變對實驗結果的影響程度。

2.1.2 ?活性炭粒度對吸附的影響

實驗過程中，不同批次的活性炭顆粒大小不同，實驗結果相差較大，因此本實驗過程中考察了活性炭粒度大小對吸附的影響，將活性炭通過20、40、60、80目篩，區(qū)分為20目以下粒度、20～40目、40～60目、60～80目、80目以上5組，研究不同粒度大小對醋酸的吸附能力影響。

2.1.3 ?吸附時間對吸附的影響

實驗指導書要求振蕩時間90 min，由于實驗時間長，學生實驗過程普遍感覺煩躁。為節(jié)約寶貴試驗時間，考慮時間對吸附的影響，設計了不同振蕩時間30、60、90、120、150 min的吸附量、以及改用磁力攪拌進行對比，考察攪拌與振蕩對吸附效果的影響。

2.1.4 ?活性炭活化時間對吸附的影響

活性炭由于在保存運輸過程中，或多或少的會吸附空氣中的水分子及氣體分子，導致活性炭的吸附能力降低，對實驗結果有一定的影響。在實驗過程中對活性炭進行加熱活化，使吸附的氣體分子發(fā)生解析附，可以保證實驗結果更準確。因此，實驗設計了在80 ℃活化時間為1.0、1.5、2.0、2.5 、3.0 ?h，考察活化時間對吸附的影響。

2.1.5 ?吸附條件的優(yōu)化

在25 ℃時，考察粒度大小、吸附時間、活化時間三因素對吸附的影響，利用Design-expert8.0軟件設計優(yōu)化最佳吸附條件（表1-2）。

2.2 ?實驗結果

2.2.1 ?溫度對吸附量的影響分析

由表3可以看出，由于吸附量與溫度有關，在室溫下溫度的微小波動，吸附量會發(fā)生明顯的變化，在室溫下測定，實驗誤差較大，RSD為17.97% （n=5）。而通過恒溫控制，RSD=4.68%（n=5），實驗誤差顯著減小。

2.2.2 ?活性炭粒度對實驗結果影響分析

通過表4可以看出，活性炭的粒度大小不同吸附量不同，并且隨著粒度減小，吸附能力逐漸增強，主要原因在于單位質量的活性炭，顆粒越小，比表面越大，吸附能力越強。

2.2.3 ?吸附時間對實驗結果影響分析

通過表5分析可以得出結論，吸附時間越長，吸附量越大，越接近平衡吸附量。同時，采用攪拌和振蕩兩種方式，攪拌效果更好，可以在較短的時間內達到平衡吸附量，可以有效節(jié)約實驗時間。

2.2.4 ?活化時間對實驗結果的影響分析

通過表6可以看出，活化時間不同，活性炭的吸附量能力不同，當活化時間達到2.0 h，吸附量基本恒定，因此活化時間應控制在2.0 h以上。這主要與活性炭會吸附空氣中的氣體分子和水蒸氣有關。加熱活化，有利于脫附，可以將吸附的氣體分子和水汽分子釋放出來，增加了活性炭的吸附能力。

2.2.5 ?響應面法試驗結果

通過響應面法發(fā)現(xiàn)，粒度的大小、吸附時間、活化時間對吸附量影響程度為：粒度的大小>吸附時間和活化時間。并且實驗中發(fā)現(xiàn)，粒度過小，對于過濾速度會產生影響。故最佳實驗方案為粒度大小40～60目、吸附時間60 min、活化時間2.0 h，此時吸附量趨于穩(wěn)定，達到0.001 58 mol?g-1（圖1-3）。

3 ?結 論

本試驗探討了物理化學實驗中固液界面吸附實驗條件：溫度的波動、吸附（振蕩）時間、活性炭粒度、活化時間等因素對實驗結果的影響，發(fā)現(xiàn)溫度是影響實驗的首要因素。通過對實驗內容的改進，利用恒溫磁力攪拌裝置控溫，利用響應面法對吸附條件進行優(yōu)化，確定最佳實驗條件。結果表明：

（1）溫度的微小波動對實驗的影響，溫度升高，吸附量顯著減小，通過恒溫裝置控溫，可以減小實驗誤差。

（2）通過磁力攪拌代替振蕩，效果更好，縮短了到達吸附平衡的時間，節(jié)約了寶貴的時間。

（3）活化時間對吸附會產生影響，活化時間120 min以上，吸附能力最強，主要原因是活化時間長，有利于解析附。

（4）響應面優(yōu)化結果表明，粒度大小40～60目、吸附時間60 min、活化時間2.0 h，此時吸附量趨于穩(wěn)定，達到0.001 58 mol/g。

（5）此實驗內容的改進，儀器設備簡單，可以增加實驗中心儀器的使用率，節(jié)約實驗成本，目前在我院得到了大力推廣。

參考文獻：

[1]陳振江，魏澤英.物理化學[M].第1版.北京：科學出版社，2015-08：240-241.

[2]張拴，趙忠孝.化學實驗基本技能與實訓[M].陜西科學技術出版社， 2014-09：208-210.

[3]陳振江，孫波.物理化學實驗 [M].第1版. 北京：科學出版社，2015-08：241-242.

[4]劉幸平，劉雄.物理化學[M].第10版. 北京：中國中醫(yī)藥出版社，2016-0 7：212-215.

[5]陳振江，程世賢.物理化學實驗[M].第9版. 北京：中國中醫(yī)藥出版社，2012-07：62-64.

[6]楊侃，陸現(xiàn)彩，徐金覃，等.氣體吸附等溫線法表征頁巖孔隙結構的模型適用性初探[J]. 煤炭學報，2013（05）：817-821.

[7]王玉娜，洪琴，李祖貴.化學師范專業(yè)活性炭吸附亞甲基藍綜合實驗[J].當代化工，2018（01）：49-52.

[8]孫飛龍，孟凡超，郭杰，等.活性炭吸附乙烯的平衡數(shù)據測定及其Langmuir模型參數(shù)與溫度的關系[J] .南京工業(yè)大學學報（自然科學版） ，2017（02）：121-126.

[9]雷曉玲，黃芳，陳垚.活性炭對典型染料的吸附性能研究[J].工業(yè)水處理，2013（05）：57-60.

[10] 張子煒.系列氨基樹脂吸附H酸的研究[D].南京師范大學，2016-06.

[11]何余生，李忠奚，紅霞，等.氣固吸附等溫線的研究進展[J].離子交換與吸附，2004（04）：376-384.