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

　　活性炭用于分離工業(yè)廢水中銅和鋅，工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展與自然資源的迅速減少密切相關(guān)。在冶金設(shè)備中產(chǎn)生的廢物量較大，在此過(guò)程中產(chǎn)生的酸性洗滌塔廢液被視為廢液。從技術(shù)和環(huán)境保護(hù)的觀點(diǎn)來(lái)看，酸性洗滌塔液體的處理方法很重要。使用活性炭分離相的效率和質(zhì)量對(duì)銅和鋅離子的回收率具有決定性的影響，銅和鋅離子可以回收用于火法冶金工藝。

　　來(lái)自農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢物制成的活性炭吸附劑因其廣泛的可獲得性，低成本和理化特性而受到廣泛關(guān)注。由于活性炭具有豐富的極性官能團(tuán)，它們被認(rèn)為是有前途的金屬吸附劑。這項(xiàng)工作的目的是研究從農(nóng)業(yè)廢物中制備一種新活性炭的方法。而且，工作范圍是所獲得材料的物理化學(xué)表征。這種新材料將用于從酸性洗滌液中吸附和分離銅離子，鋅離子和砷離子，以從廢水中回收銅離子和鋅離子。

　　活性炭的基本特征

　　新開(kāi)發(fā)的活性炭材料具有大量的鉀，鈣，磷和鎂。這些金屬在活性炭中的存在對(duì)金屬吸附過(guò)程是有益的。它們可以與所研究的金屬交換或沉淀，從而降低其可用性。報(bào)道的吸附動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明，通過(guò)陽(yáng)離子交換機(jī)制在活性炭中吸附重金屬發(fā)生在反應(yīng)的早期。活性炭材料的SEM圖像如圖1所示。所制備的碳吸附劑由趨于團(tuán)聚的具有不同晶粒尺寸的不規(guī)則形狀的顆粒組成。所獲得的活性炭的外表面還具有深的狹縫，在熱解過(guò)程中去除揮發(fā)性有機(jī)物后可能會(huì)形成狹縫。

　　圖1：(a)10μm和(b)4μm下活性炭的SEM圖像。

　　活性炭對(duì)銅和鋅的吸附過(guò)程

　　吸附研究是使用硫酸銅和硫酸鋅的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行的。對(duì)于制備的標(biāo)準(zhǔn)溶液，確定了合適的吸附參數(shù)：使用濃硫酸調(diào)節(jié)pH0-5范圍，接觸時(shí)間5-480分鐘。適量的活性炭吸附劑和一定濃度的被吸附物用于吸附研究。將帶有橡膠塞的錐形瓶中的樣品置于恒溫器中。在恒溫?cái)嚢柘逻M(jìn)行樣品的吸附研究，持續(xù)5至480分鐘。在該過(guò)程完成之后，將燒瓶的內(nèi)容物過(guò)濾并將濾液定量轉(zhuǎn)移到容量瓶中，并用蒸餾水填充至刻度。然后定量分析制備的樣品中的銅和鋅離子。

　　測(cè)試了pH對(duì)銅和鋅離子吸附速率的影響，在低pH值(0-3)下，銅和鋅離子的吸附不利。在0.1-5的pH范圍內(nèi)，計(jì)算出的吸附效率差異等于90%，而在pH5的溶液中獲得了高的吸附率(95%)。活性炭對(duì)銅離子的親和力高于對(duì)離子的親和力，吸附劑濃度對(duì)銅和鋅吸附效率也是有一定的影響的，效率值隨活性炭質(zhì)量的增加而增加。圖2顯示了活性炭吸附劑對(duì)銅和鋅的吸附效率。

　　圖2：吸附效率隨時(shí)間和溫度的變化：(a)銅(b)鋅。

　　對(duì)圖2所示數(shù)據(jù)的分析表明，兩種測(cè)試陽(yáng)離子的溫度升高都會(huì)影響效率值。在低溫度下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)獲得的效率較低，而銅和鋅離子的分離效率分別為96%和63%。溫度變化時(shí)，兩種陽(yáng)離子的效率值高，分別為98%和87%。同時(shí)，很明顯，與銅離子相比，工藝溫度對(duì)鋅離子的吸附影響更大。將處理溫度提高會(huì)使效率提高約21%。在銅離子的情況下，過(guò)程溫度的類似升高導(dǎo)致過(guò)程效率提高2%。銅和鋅吸附過(guò)程對(duì)溫度的這種熱力學(xué)依賴性可能與其吸熱特性有關(guān)。這可能歸因于較高溫度下所研究的陽(yáng)離子在微孔內(nèi)的滲透性增加，或產(chǎn)生了新的活性位點(diǎn)。吸熱吸附可能是由于預(yù)吸附的水與活性炭之間的相互作用比銅和鋅離子與活性炭之間的相互作用更強(qiáng)。

　　活性炭相互作用的機(jī)理

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了活性炭/被吸附物相互作用的機(jī)理(圖3)。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，這些相互作用主要受反應(yīng)pH的影響。另一方面，相互作用似乎是由靜電和化學(xué)性質(zhì)引起的。通過(guò)活性炭吸附劑顯示出相對(duì)于銅和鋅離子的相對(duì)較好的吸附容量值。相對(duì)于Cu2+/As3+和Zn2+/As3+的離子混合物，所研究的活性炭的優(yōu)勢(shì)還在于高選擇性。高分離度可以回收這些金屬，從生態(tài)和經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，這無(wú)疑是有益的。

　　圖3：活性炭/被吸附物相互作用的擬議機(jī)制。

　　本次開(kāi)發(fā)的活性炭材料特征在于對(duì)銅和鋅離子的親和力相對(duì)較高，而對(duì)砷離子的親和力非常低，這已被實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)。所提出的吸附劑的吸附性能主要取決于吸附劑和吸附劑之間的接觸時(shí)間，吸附溫度，陽(yáng)離子初始濃度，所用吸附劑的重量(相對(duì)于溶液的體積和pH)。對(duì)于銅和鋅離子的吸附測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)活性炭具有高選擇性和高吸附性能，在用于工業(yè)廢水中能很好的分離回收銅和鋅。

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