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

　　活性炭去除電池廢水中的鎘離子

　　隨著現(xiàn)代社會的飛速發(fā)展，人們對電子產(chǎn)品的需求越來越大。隨著電池數(shù)量的增加，化工廠在電池生產(chǎn)過程中排放的重金屬廢水也隨之增加。含重金屬廢水關(guān)系到生活環(huán)境的重大問題。鎘離子是化工廠在電池制造過程中產(chǎn)生的廢水中的主要有害物質(zhì)，是一種毒性特別大的重金屬。本次研究的是處理含鎘離子的電池廢水處理，使用活性炭用氫氧化鉀和聚乙烯多胺改性來處理。

　　聚乙烯多胺是一種優(yōu)異的聚合物，已廣泛用于制備陰離子交換樹脂、離子交換膜和潤滑油添加劑。近年來，聚乙烯多胺作為一種新型材料得到發(fā)展，具有親水性、環(huán)境友好性、吸附容量大、選擇性吸附性好、改性程度高等諸多優(yōu)點。因此，我們聚乙烯多胺接枝到活性炭表面并引入具有吸附鎘離子的胺基團(tuán)，不僅提高了活性炭對鎘離子的吸附能力，而且解決了聚乙烯多胺回收難、穩(wěn)定性差的問題。改性活性炭有助于控制鎘離子污染，有助于活性炭的多元化開發(fā)利用，提高潛在經(jīng)濟(jì)價值。本研究對改性活性炭對鎘離子的吸附，并對吸附過程進(jìn)行了統(tǒng)計分析。

　　活性炭的吸附能力

　　改性后的活性炭對鎘離子的吸附量達(dá)到46毫克/克，多聚葡萄糖胺聚合物接枝在活性炭表面的吸附量達(dá)到36毫克/克，磷酸活化制備活性炭的吸附只有19毫克/克。可見，單純對活性炭進(jìn)行酸堿改性或接枝改性并不能達(dá)到良好的吸附能力。在活性炭嫁接聚乙烯多胺的過程中，可以發(fā)現(xiàn)接枝聚乙烯多胺的量與吸附量成正比。但過量的聚乙烯多胺會阻塞活性炭的孔徑，導(dǎo)致孔隙塌陷，這進(jìn)一步削弱了活性炭的吸附性能。活性炭的吸附位點當(dāng)電池廢水樣品初始濃度一定時，吸附量在一定時間內(nèi)增加，然后達(dá)到平衡。吸附容量在5-180分鐘隨時間增加，吸附容量在180分鐘時達(dá)到平衡。然而，容量在180-240分鐘時略微解吸。因此，180分鐘是平衡時間。當(dāng)活性炭吸附鎘離子，其胺基和含O的官能團(tuán)與鎘離子形成絡(luò)合物。pH值低時，由于溶液中存在大量氫離子，吸附劑表面的胺基體被質(zhì)子化，失去絡(luò)合作用，對鎘離子產(chǎn)生靜電排斥力，降低了吸附劑的吸附量。對于吸附能力圖1中pH值的升高也促進(jìn)了羧基的水解，提高了吸附劑的表面電負(fù)性，增加了鎘離子與吸附劑之間的靜電引力，促進(jìn)了活性炭表面官能團(tuán)與活性炭的絡(luò)合。隨著pH值的增加，活性炭表面負(fù)電荷量增加，金屬陽離子與其表面的靜電斥力降低，所以吸附能力增加了。pH值再次上升，溶液中有大量Cd(OH)形成，略微降低了活性炭對鎘離子的吸附能力。

　　圖1：(a、b)不同pH值對吸附劑的影響和不同pH值下的大吸附容量。

　　活性炭的吸附動力學(xué)研究

　　三種活性炭的的SEM形貌如圖2所示，活性炭表面有少量蜂窩狀或圓形孔隙，三種活性炭的形態(tài)都差不多。然而，有更多的蜂窩狀或圓形孔隙。活性炭和活性炭1的表面形態(tài)更光滑。活性炭2表面粗糙，部分孔隙結(jié)構(gòu)輕微塌陷，呈不規(guī)則圓形孔隙;這種現(xiàn)象與內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。活性炭2的表面被海綿狀沉積物覆蓋，這主要是由于聚乙烯多胺接枝在活性炭表面。改性活性炭為鎘離子提供了更多的吸附位點。

　　采用吸附動力學(xué)模型通常用于研究吸附容量與接觸時間之間的關(guān)系。吸附過程可以用不同的吸附機(jī)制來描述，如傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和粒子擴(kuò)散。為了研究活性炭對鎘離子的吸附速率和機(jī)理，進(jìn)行了動力學(xué)實驗。擬一級動力學(xué)方程和擬二級動力學(xué)方程用于模擬活性炭對鎘離子的吸附動力學(xué)。準(zhǔn)一級動力學(xué)模型基于吸附的限制因素是吸附劑顆粒中的傳質(zhì)阻力的假設(shè)。若吸附動力學(xué)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果符合擬一級反應(yīng)動力學(xué)，則吸附過程是擴(kuò)散控制的，限速步驟是物理吸附。準(zhǔn)二級動力學(xué)基于吸附的限制因素是化學(xué)吸附機(jī)制的假設(shè)，化學(xué)吸附機(jī)制通過在吸附劑和被吸附物之間共享或交換電子來控制吸附速率。金屬離子占據(jù)吸附劑活性位點的比率與未占據(jù)活性位點數(shù)的平方成正比。圖3顯示了吸附劑的動力學(xué)擬合結(jié)果。圖3(a)和3(b)分別顯示了偽一級動力學(xué)曲線和偽二級動力學(xué)曲線。

　　圖2：(a-c)三種活性炭的SEM光譜。

　　圖3：(a,b)改性活性炭的擬一級動力學(xué)吸附曲線和擬二級動力學(xué)吸附曲線。

　　活性炭的吸附-解吸循環(huán)的再生

　　改性活性炭的回收利用在實際應(yīng)用中具有重要意義，因為它可以降低生產(chǎn)成本，節(jié)省時間。為了研究改性活性炭回收的重要指標(biāo)，我們考慮了吸附劑活性基團(tuán)的性質(zhì)。在本研究中，對兩種改性后的活性炭進(jìn)行再生。將0.1g改性活性炭吸附的鎘離子分別放入兩種溶液中，在恒溫震蕩器中放置6小時進(jìn)行解吸再生。然后重復(fù)吸附和解吸實驗5次，樣品溶液再吸附鎘離子的溶解度為0.1g/L。圖4表明0.1mol/L聚乙烯多胺溶液是改性活性炭的合適再生劑，因為聚乙烯多胺具有很強(qiáng)的絡(luò)合能力，可以在不破壞吸附劑原有結(jié)構(gòu)的情況下解吸金屬離子。這些結(jié)果證明活性炭不僅具有較高的去除率，而且具有良好的回收性能，具有良好的應(yīng)用前景。

　　圖4：吸附解吸循環(huán)的再生實驗。

　　活性炭去除電池廢水中的鎘離子的研究中，活性炭經(jīng)兩種活化劑改性，用于吸附去除廢水中的鎘離子。聚乙烯多胺負(fù)載到活性炭表面后，所有改性活性炭的比表面積都減小，但是活性炭的表面zeta電位增加。pH是影響鎘離子吸附的重要因素，當(dāng)pH為6時，活性炭在水溶液中表現(xiàn)出很好的鎘離子吸附，吸附量也很高。整個吸附過程為化學(xué)過程，并且活性炭表現(xiàn)出良好的再生能力，經(jīng)過四次循環(huán)循環(huán)后活性炭對鎘離子的吸附量仍保持在85%左右，表明改性活性炭是一種非常有前景的吸附材料。

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