活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　如今，稀土元素在永磁體，磷光燈，鎳氫可充電電池和催化劑等幾種應用中起著重要的作用。隨著混合動力汽車，電動汽車，風力渦輪機和緊湊型熒光燈的日益普及，導致稀土元素的需求和價格上漲，因為稀土元素的幾種化合物都是智能電池生產的基本原料。其中，釹(Nd)，銪(Eu)，鋱(Tb)，鏑(Dy)和釔(Y)被認為是五個關鍵的稀土元素。預計在接下來的25年中，對Nd和Dy的需求將分別增長700%和2600%。另一方面，技術的發展增加了電子廢物的傾倒，會使得大量的這些元素以及其他幾種有毒元素釋放到地下土壤和地下水中。因此，對不同吸附過程的研究是完全相關的。在各種不同的方法來消除污染物，吸附到不同的碳質材料是一種可行的選擇，因為它的簡單性和成本效益比較優秀。如今，最常用的從水中去除污染物的吸附劑是活性炭，其特點是孔隙率高，表面積大，表面反應性高。這期我們將描述了鏑離子在水溶液中吸附到兩種活性炭上的物理化學研究。

　　對吸附材料的分析

　　首先我們通過掃描電子顯微鏡(SEM)使用SEM技術分析了活性炭的表面特性。可以清楚地觀察到不同的形態。化學活性炭(圖1a )顯示出均一的表面形態，并具有大量的孔，這是由于活化劑與活性炭前體表面之間的化學相互作用引起的。另一方面，活性炭(圖1b)的多孔性不如上述情況，具有物理活性炭典型的點蝕和裂紋表面。

　　圖1：(a)化學活化活性炭和(b)物理活化活性炭樣品的SEM顯微照片。

　　接著再通過拉曼光譜法對兩種活性炭進行表征。拉曼光譜法是一種用于活性炭材料的有用技術，因為光譜形狀不僅由于活性炭的同素異形體種類豐富而急劇變化，而且還由于單個同素異形體的精細結構變化而引起。從這個意義上講，多晶石墨表現出兩個尖峰：G帶和D帶。這些帶通常分別歸因于E 2g和A 1g面內振動模式，碳材料的石墨化度通常由I G/I D表征。拉曼光譜中的值。在圖2中示意性地示出了兩種振動模式。在該方案中的部分A中，呼吸模式A 1克(d波段)被示出，而B部分示出了振動模式E中(G帶)。

　　圖2：振動模式的方案：(a)呼吸模式A 1g(D峰值)和(b)振動模式E 2g(G峰值)。

　　活性炭對鏑離子的吸附實驗

　　我們系統的研究了三種不同參數對兩種類型的活性炭吸附能力的影響：溶液的pH值，鏑離子濃度和活性炭量。

　　溶液pH值的影響：為了分析溶液pH值對吸附過程的影響，在三個不同的pH值(3至5)下進行了實驗。為此，將30mg活性炭加入到含有5mg·L -1鏑離子離子的200mL溶液中。兩種活性炭在不同pH值下的吸附量與接觸時間的關系圖如圖3所示。

　　圖3：溶液pH值對兩種活性炭的影響。

　　濃度的影響：研究了濃度為2.5、5和10 mg/L以及固定量(30 mg)活性炭的三種溶液對濃度的影響。所有實驗均在室溫下進行，結果如圖4所示。

　　圖4：濃度對吸附百分率的影響。

　　活性炭量的影響：最后，研究了活性炭吸附量的影響。將濃度為5 mg·L -1的鏑溶液與不同量的兩種活性炭(5、15、30和60 mg)接觸。結果繪制在圖5中。

　　圖5：吸附百分數隨活性炭吸附量的變化。

　　至于其他參數，對于物理活化活性炭獲得較好的結果。如所期望的，吸附劑的量越大，吸附百分比越大。但是，兩種樣品的行為有很大不同。對于物理活化活性炭，當活性炭量從5 mg增加到15 mg時，吸附百分比急劇增加(從57%增加到99%)。然后，它實際上與吸附劑的量保持恒定。但是，對于化學活化活性炭，吸附在很大程度上取決于吸附劑的量，從10%(活性炭5 mg)到96%(活性炭60mg)。僅最大吸附量的吸附百分比與物理活化活性炭相當，即使在這種情況下，達到相似吸附百分比所需的時間也更長。

　　吸附實驗表明，溶液pH的變化對活性炭的吸附有很大影響，在pH為4時獲得較大的吸附。如預期的那樣，溶液鏑濃度的降低會增加吸附百分比。另外，在化學活性炭的情況下，鏑吸收量隨著吸附劑量的增加而逐漸增加。在物理活性炭的情況下，沒有觀察到這種效果，其中除了使用的最低量外，吸附百分比實際上保持恒定。最后，溫度的變化稍微改善了吸附過程。盡管如此，物理活性炭在所有情況下都表現出很強的吸附能力。

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