活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　水是自然循環(huán)中重要的組成部分也是接收工業(yè)廢物的有利場所。水的雜質(zhì)來源不同，可分為不同的類別，包括懸浮元素，礦物質(zhì)溶質(zhì)，有機(jī)溶質(zhì)，溶解氣體和微生物。用于染色織物的合成染料的制造和使用已成為一種工業(yè)污染源，全世界每年生產(chǎn)約70萬噸染料。該數(shù)量的約20%是未經(jīng)事先處理的工業(yè)廢物。合成染料具有高毒性，因?yàn)樗鼈兒�有硫，染料，硝酸鹽，醋酸，表面活性劑，酶，鉻化合物和重金屬，如銅，砷，鉛，鎘，汞，鎳，鈷和某些輔助化學(xué)品。氯化去甲基苯胺是合成的陽離子染料，也稱為堿性紫，龍膽紫，甲基紫屬于三芳基甲烷。這種染料廣泛用于紡織工業(yè)，用于染色棉，羊毛，絲綢，尼龍，用于制造印刷油墨以及生物染色劑。因?yàn)槲廴締栴}從廢水中去除龍膽紫非常重要。我們通過紫外可見光譜研究了活性炭去除龍膽紫的定量動(dòng)力學(xué)和平衡吸附參數(shù)來評(píng)估活性炭對(duì)染料吸附的性能。

　　獲取污染溶液進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)

　　本次研究使用的龍膽紫是直接購買的成品并且無需任何進(jìn)一步純化即可使用。這種染料廣泛用于革蘭氏染色的微生物學(xué)，分析反應(yīng)中的顏色指示和指紋揭示。通過將精確重量的龍膽紫溶解在蒸餾水中至濃度為1g/L來制備原料龍膽紫溶液。通過連續(xù)稀釋獲得所需濃度的實(shí)驗(yàn)溶液。龍膽紫的染料的濃度使用紫外可見分光光度計(jì)來測定。染料也可以通過甲醛和二甲基苯胺的縮合制備，得到無色染料，然后，這種無色化合物被氧化成有色陽離子形式。處理方法是由具有非常高的比表面積的顆粒狀活性炭來進(jìn)行吸附。

　　批量模式吸附研究

　　在特定的濃度，溶液pH值，活性炭用量和攪拌速度與溫度的條件下對(duì)染料進(jìn)行批量吸附，從0到90分鐘的可變特定時(shí)段。通過將準(zhǔn)確量的龍膽紫(99%)溶解在蒸餾水中，用作儲(chǔ)備溶液并稀釋至所需濃度來制備龍膽紫溶液，用化學(xué)劑調(diào)節(jié)pH。對(duì)于動(dòng)力學(xué)研究，將所需量的活性炭與燒瓶中的10ml龍膽紫溶液接觸，并置于旋轉(zhuǎn)振蕩器上，定時(shí)取出等分試樣并以3000轉(zhuǎn)/分鐘(10分鐘)離心。在紫外可見分光光度計(jì)上滴定剩余的染料濃度。由該關(guān)系計(jì)算活性炭吸附的龍膽紫的量。

　　操作條件的優(yōu)化研究

　　溶液的pH在吸附過程中起重要作用，特別是在吸收能力方面。據(jù)觀察，隨著pH值的增加，龍膽紫去除率一直在增加(圖4)。pH值對(duì)活性炭吸附龍膽紫的影響可以在pH pzc=5.23的基礎(chǔ)上解釋。活性炭表面電荷在pH pzc以上為負(fù)。因此，隨著溶液的pH增加，帶正電荷的位點(diǎn)的數(shù)量減少并且有利于通過靜電吸引的龍膽紫吸附。龍膽紫的吸附容量隨時(shí)間增加，在30分鐘后達(dá)到最大值，然后傾向于恒定值，表明活性炭不再從溶液中除去龍膽紫離子。

　　圖1：作為pH的函數(shù)的龍膽紫染料在活性炭上的吸附演變。

　　從這些結(jié)果中，我們可以推斷出龍膽紫在活性炭上的吸附分三個(gè)階段進(jìn)行：

　　1、由于活性炭表面上存在游離位點(diǎn)而快速吸附龍膽紫，這轉(zhuǎn)化了吸附容量隨時(shí)間的線性增加。該步驟在所進(jìn)行的操作條件下持續(xù)10分鐘。

　　2、吸附速率的降低反映在吸附容量的小幅增加上，這歸因于溶液中龍膽紫數(shù)量的減少和可用的未占用位點(diǎn)的數(shù)量。這個(gè)階段持續(xù)10-20分鐘。

　　3、觀察到吸附能力的穩(wěn)定性，可能是由于吸附位點(diǎn)的總占有率：因此建立水平反映了這一階段。

　　龍膽紫在活性炭上的吸附

　　吸附機(jī)理：吸附動(dòng)力學(xué)通常由不同的機(jī)制控制。顆粒內(nèi)擴(kuò)散源于菲克定律，并假設(shè)活性炭周圍的液膜擴(kuò)散可忽略不計(jì)，顆粒內(nèi)擴(kuò)散是吸附過程中唯一的速率控制步驟。我們進(jìn)行的批量實(shí)驗(yàn)提供了有價(jià)值的數(shù)據(jù)來評(píng)估擴(kuò)散系數(shù)。在實(shí)際條件下，固體中的傳質(zhì)阻力大于固體顆粒上的外部流體膜。第一階段是由于染料和活性炭外表面之間的強(qiáng)靜電吸引而產(chǎn)生的瞬時(shí)吸附。第二階段是逐漸吸附階段，歸因于染料分子通過活性炭孔隙的顆粒內(nèi)擴(kuò)散。

　　圖2：龍膽紫染料吸附到活性炭上的顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型。

　　吸附機(jī)理可歸納為以下四個(gè)步驟：

　　一、污染物從外層轉(zhuǎn)移到內(nèi)層(非常快的步驟)。

　　二、污染物的置換直至與活性炭接觸(快速步驟)。

　　三、在濃度梯度(慢速步驟)下將污染物擴(kuò)散到活性炭中。

　　四、微孔中污染物的吸附(非常快的步驟)。

　　經(jīng)過使用活性炭從水溶液中去除龍膽紫的實(shí)驗(yàn)研究。研究了活性炭對(duì)龍膽紫去除的潛力。隨著初始染料濃度，時(shí)間和pH的升高，活性炭對(duì)龍膽紫的吸附容量增加。在化學(xué)吸附中，龍膽紫分子通過化學(xué)鍵連接到活性炭表面，并且傾向于找到使其與表面的配位數(shù)最大化的位點(diǎn)。為了了解吸附機(jī)理，我們應(yīng)用了擴(kuò)散模型。通過模型分析活性炭上的平衡龍膽紫吸附，并且發(fā)現(xiàn)龍膽紫在活性炭的活性位點(diǎn)和離子之間可能發(fā)生一些結(jié)構(gòu)交換。

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