氮摻雜活性炭的制備及其吸附金-硫代硫酸根配離子的動(dòng)力學(xué)研究

謝 蕾,張漢泉,路漫漫,余 洪

(武漢工程大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

1 材料與方法

1.1 試劑、儀器及設(shè)備

試劑:椰殼活性炭,粒級(jí)為0.45～0.90 mm,鞏義市北山口鴻昌凈水材料廠;金粉、四硫磺酸鈉二水合物,購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;鹽酸、硝酸和過(guò)氧化氫,分析純,購(gòu)自西隴科學(xué)股份有限公司;三聚氰胺、甲醇、五水合硫酸銅、硝酸鉛、硫酸鋅、氨水、五水合硫代硫酸鈉,均為分析純,購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

儀器設(shè)備:恒溫水浴振蕩器、ER-35F型電熱恒溫加熱板(常州諾基儀器有限公司),FA224型電子天平(上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司),SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水式真空泵(鞏義市英峽予華儀器廠),UPH-I-10T型優(yōu)普超純水器(四川優(yōu)普超純科技有限公司),雷磁PHS-3C型pH計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司),KSL-1200X-H型小型燒結(jié)爐(合肥科晶材料技術(shù)有限公司),TAS-990AFG型原子吸收分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)。

1.2 熱活化氮摻雜改性活性炭的制備

取洗凈烘干的椰殼活性炭放入燒杯中,加入甲醇/三聚氰胺溶液浸漬,三聚氰胺用量為活性炭質(zhì)量的3.75%。將燒杯置于恒溫振蕩器中振蕩,直至溶液蒸干,得氮摻雜改性活性炭。

用超純水清洗過(guò)濾,在鼓風(fēng)干燥箱106 ℃下干燥10 h,冷卻裝樣。取氮摻雜活性炭樣品2 g,在氮?dú)鈿夥障?用管式氣氛爐以10 ℃/min加熱到750 ℃,熱活化1 h,冷卻后得熱活化氮摻雜改性活性炭(AC-N)。

1.3 含金模擬浸出液的制備

1.4 金吸附量測(cè)定

(1)

式中:qt—吸附t時(shí)間時(shí)吸附量,μg/g;ρ0、ρt—初始金質(zhì)量濃度、吸附t時(shí)間時(shí)金質(zhì)量濃度,μg/mL;m—吸附劑質(zhì)量,g;V—溶液體積,mL。

1.5 吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

稱取一定量AC-N于模擬浸出液中,金質(zhì)量濃度10 mg/L,Na2S2O3濃度0.1 mol/L,在溫度35 ℃、振蕩速度140 r/min條件下振蕩。取樣并分析測(cè)定金濃度,得到AC-N對(duì)金的吸附量(qt)。利用3種動(dòng)力學(xué)模型對(duì)吸附動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行擬合,吸附速率和吸附機(jī)制有3個(gè)連續(xù)的過(guò)程,包括從表面向外部擴(kuò)散、向孔及顆粒內(nèi)部擴(kuò)散,以及在表面活性位點(diǎn)的吸附[10]。

準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用于物理吸附,可用于描述初始階段的吸附過(guò)程,模型公式[11]為

ln(qe-qt)=lnqe-k1t。

(2)

式中:k1—準(zhǔn)一級(jí)吸附速率常數(shù),h-1;qe—平衡吸附量,μg/g;qt—吸附t時(shí)間時(shí)的吸附量,μg/g;t—吸附時(shí)間,h。

準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型以化學(xué)吸附控制吸附速率為主,可用于描述整個(gè)吸附過(guò)程,模型公式[12]為

(3)

式中:k2—準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù),g/(μg·h);qe—平衡吸附量,μg/g;qt—吸附t時(shí)間的吸附量,μg/g;t—吸附時(shí)間,h。

粒子內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型可描述吸附質(zhì)在吸附劑內(nèi)部的擴(kuò)散過(guò)程,用于進(jìn)一步分析孔道擴(kuò)散和速率控制過(guò)程,模型公式[13]為

qt=kpt0.5+C。

(4)

式中:kp—內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù),mg/(g·h0.5);C—截距,μg/g,大小與邊界層厚度相關(guān)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 改性活性炭AC-N的表征

改性活性炭AC-N的孔隙相關(guān)系數(shù)見表1,SEM和EDS能譜分析結(jié)果如圖1、2所示。

a—×5 000;b—×500。圖1 AC-N的SEM分析結(jié)果

表1 AC-N孔隙的相關(guān)參數(shù)

由表1、圖1看出:改性活性炭AC-N表面凹凸不平,由互相連接的孔隙結(jié)構(gòu)組成,孔結(jié)構(gòu)呈珊瑚狀,分布均勻,塌陷堵塞的孔隙較少,微孔結(jié)構(gòu)占比較大,表面附著的灰分少,比表面積較大。由圖2看出:AC-N主要是由C、N、O、P等元素組成,C質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,為94.93%,O、Ca和P質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.62%、0.94%和0.40%。

圖2 AC-N的EDS能譜分析結(jié)果

2.2 單因素的影響

圖3 溶液初始pH對(duì)AC-N吸附的影響

圖4 吸附時(shí)間對(duì)AC-N吸附的影響

圖5 吸附溫度對(duì)AC-N吸附的影響

圖6 初始金質(zhì)量濃度對(duì)AC-N吸附的影響

圖7 Na2S2O3及濃度對(duì)AC-N吸附的影響

a—Cu2+;b—Pb2+;c—Zn2+。圖8 主要金屬雜質(zhì)離子質(zhì)量濃度對(duì)AC-N吸附的影響

3 吸附動(dòng)力學(xué)研究

a—準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型;b—準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型;c—顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型。圖9 AC-N對(duì)的吸附動(dòng)力學(xué)擬合曲線

表2 AC-N對(duì)的吸附動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)

由表2還可看出:顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型的相關(guān)系數(shù)較高,且均大于0.93;結(jié)合吸附時(shí)間條件試驗(yàn)結(jié)果可知,不同初始金質(zhì)量濃度下,吸附初始階段的吸附速率均較高。這是由液膜擴(kuò)散和表面吸附引起,此時(shí)AC-N表面吸附活性空位較多;隨吸附時(shí)間延長(zhǎng),表面吸附空位被占,使吸附速率放緩,此時(shí)由顆粒內(nèi)擴(kuò)散反應(yīng)控制。

4 結(jié)論

1)以椰殼活性炭和三聚氰胺為原料,采用氮摻雜和熱活化法可制備熱活化氮摻雜活性炭(AC-N),AC-N孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá),微孔數(shù)量較多,主要由C、N、O、Ca和P等元素組成。