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

　　活性炭明膠復(fù)合材料吸附鉛離子，農(nóng)業(yè)和化學(xué)工業(yè)，采礦和金屬加工等許多工業(yè)在環(huán)境中釋放出過(guò)量的鉛離子，鉛過(guò)量會(huì)對(duì)人類和動(dòng)物有害。因此，有必要在含鉛廢水排放到環(huán)境之前對(duì)其進(jìn)行處理。活性炭對(duì)重金屬離子的吸附已得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)榛钚蕴烤哂卸嗫捉Y(jié)構(gòu)，具有非常高的表面積，高容量和高吸附速率，對(duì)有機(jī)物質(zhì)和重金屬離子之擁有良好的吸附性能。

　　本期我們介紹活性炭和明膠的組合，用于從水溶液以及實(shí)際廢水樣品中吸附污染物。明膠是一種可生物降解的聚合物，來(lái)自各種動(dòng)物副產(chǎn)品的膠原蛋白。最近，使用由動(dòng)物組織的蛋白胨制備的明膠和粉末活性炭制成活性炭明膠復(fù)合材料，通過(guò)增加活性炭的量與明膠的比例來(lái)研究鉛離子的吸附。在各種條件下進(jìn)行批量平衡和動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)以評(píng)估和優(yōu)化吸附效率。此外，研究了活性炭明膠復(fù)合材料從水溶液中去除鉛離子的吸附行為。

　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試中的幾種方法

　　一、批量動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

　　動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)在50，300，和500毫克升的濃度-1的鉛離子溶液中進(jìn)行。通過(guò)使用0.1M HCl和NaOH溶液將鉛溶液的初始pH調(diào)節(jié)至5.5。將0.15g活性炭明膠復(fù)合材料加入到含有50ml鉛離子溶液的連續(xù)搖動(dòng)的容器中。通過(guò)使用注射器以預(yù)定的時(shí)間間隔取出1ml溶液的樣品，并通過(guò)原子吸收分光光度法分析鉛濃度。

　　二、批量平衡實(shí)驗(yàn)。

　　進(jìn)行批量平衡實(shí)驗(yàn)，得到平衡等溫線，研究接觸時(shí)間，鉛離子初始濃度，活性炭明膠材料的用量和溶液pH。將0.15g活性炭明膠復(fù)合材料的量加入50ml鉛離子溶液中，并將混合物置于旋轉(zhuǎn)振蕩器中24小時(shí)。然后分析上清液的鉛離子濃度。所有實(shí)驗(yàn)一式三份進(jìn)行，并報(bào)告平均值。為了研究pH的影響，通過(guò)使用0.1M HCl和NaOH溶液將溶液的初始pH和最終pH調(diào)節(jié)至1.5至5.5之間的值。通過(guò)原子吸收分光光度法分析鉛離子濃度。

　　活性炭明膠復(fù)合材料的特性

　　通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)獲得活性炭明膠復(fù)合材料的外表面。元素組分的分布可以使用掃描電子顯微鏡與能量色散X射線光譜(SEM/EDX)的映射分析進(jìn)行分析，使用掃描電子顯微鏡，分別表征活性炭明膠復(fù)合材料中的形態(tài)和元素組分。通過(guò)BET表面積測(cè)量，發(fā)現(xiàn)活性炭明膠復(fù)合材料的窄孔徑分布和3.25nm的平均孔徑。該結(jié)果表明該吸附的珠粒為中孔(2-50nm)。零電荷點(diǎn)為4.5表明蓋該材料的表面性質(zhì)是酸性的。圖1(a)和(b)中的SEM照片以20×和200×放大倍數(shù)拍攝，分別觀察形狀和表面形態(tài)。SEM圖像顯示直徑約4 mm的球形珠(圖1(a))。在更高的放大倍數(shù)下，還觀察到顯示出許多孔的粗糙表面。

　　圖1.(a)珠粒尺寸和(b)活性炭明膠復(fù)合材料外表面的SEM照片。

　　圖2圖1顯示了吸附鉛離子之前和之后(b)的活性炭明膠復(fù)合材料的EDX點(diǎn)映射。它可以提供元素分布映射的指示。藍(lán)色亮點(diǎn)表示吸附在活性炭明膠復(fù)合材料上的鉛離子，如圖2(b)所示。分布在吸附劑表面的高密度藍(lán)點(diǎn)表明鉛離子的吸附效果。

　　圖2.吸附鉛離子之前和(b)活性炭明膠復(fù)合材料吸附之后(a)的EDX點(diǎn)映射。

　　pH對(duì)活性炭明膠復(fù)合材料吸附劑吸附鉛離子的影響

　　溶液pH影響吸附劑表面上官能團(tuán)的離子狀態(tài)，因此預(yù)期吸附是溶液pH依賴性的。通過(guò)評(píng)估在1.5-5范圍內(nèi)的不同溶液pH下的吸附容量來(lái)研究該效果，結(jié)果顯示在圖3中。沒(méi)有進(jìn)行超過(guò)初始pH值5.5的實(shí)驗(yàn)以避免鉛離子沉淀。從圖2中可以看出活性炭明膠復(fù)合材料吸附劑的吸附容量(qe)隨溶液的pH值的增加而增加。在pH 2和3之間觀察到qe的最大增加，而在pH 4附近達(dá)到平臺(tái)。這些結(jié)果表明活性炭明膠復(fù)合材料吸附劑適用于酸性廢水的處理。在低pH范圍內(nèi)，H+的濃度高，這促進(jìn)了吸附劑官能團(tuán)的質(zhì)子化，導(dǎo)致其帶正電，從而導(dǎo)致帶正電的鉛離子的靜電排斥。此外，在低pH值下，氫離子與鉛離子競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)。

　　圖3.pH對(duì)活性炭明膠復(fù)合材料對(duì)鉛離子吸附的影響。活性炭明膠復(fù)合材料劑量0.15g/50ml，溫度23±2℃，鉛濃度(a)50mgl-1和(b)200mgl-1。

　　本研究得到的吸附結(jié)果表明，由粉末活性炭和明膠組合得到的吸附劑可以作為從廢水中回收鉛離子的實(shí)用吸附劑。活性炭明膠復(fù)合材料是一種高效且環(huán)保的吸附劑。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，即使在低初始濃度下，活性炭明膠吸附劑對(duì)鉛離子吸收率也很高，濃度分布遵循偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。發(fā)現(xiàn)吸附容量是溶液pH依賴性的，在較高pH范圍內(nèi)獲得較高的容量。研究測(cè)試中得到的最高吸附效率為約90%。因此，活性炭明膠復(fù)合材料似乎非常適合從廢水中去除鉛離子。

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