活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　染料行業的規模和增長與紡織行業有著千絲萬縷的聯系。據估計，全世界每年有28萬噸染料廢水作為工業廢水排放，未經適當處理就將含有工業染料的廢水排入水中對環境會造成很大的影響。紡織廢水含有嚴重著色和高電導率的廢水，并且大多數染料對生物降解過程具有完全的抵抗力。這項研究通過活性炭用于從水溶液中去除甲基黃。

　　活性炭的制備和表征

　　將原材料在80ºC下干燥12小時，壓碎并篩分至小于2.0 mm的均勻大小。碳化過程是通過將30 g樣品裝入立式爐中并在150 cm3/min的純氮氣流下加熱到700ºC進行一小時來進行的。將樣品以1：1的比例浸入KOH中，并在烤箱中于110℃下干燥。使用微波加熱以300 cm3/min的CO2氣流對干燥的炭進行活化處理。微波功率設置為660瓦，并保持4分鐘的激活時間。依次用去離子水洗滌產生的樣品，直到達到中性pH，并將樣品在110℃的烘箱中干燥12小時獲得成品活性炭。使用氮吸附等溫線測定活性炭的比表面積，總孔體積和孔徑分布。使用掃描電子顯微鏡分析來確定孔結構，表面結構和孔排列的外觀。

　　原材料和制成活性炭的表面形態分別如圖1(a)和(b)所示。原材料的表面結構粗糙且不平坦。但是，活性炭的形貌顯示存在明顯的孔結構，并且在表面分布有一系列粗糙的孔洞。這是由于木質纖維素在高溫下分解，然后蒸發了衍生化合物而使樣品具有發達的孔。

　　圖1：(a)原材料(x6k)和(b)活性炭(x6k)的SEM顯微照片。

　　平衡吸附研究

　　來自市場上購買的甲基黃被用作吸附物。甲基黃的化學式為C6H5N2C6H4N(CH3)2，分子量為225.30 g/mol。分批吸附研究在一組250 ml錐形瓶中進行。將100 ml 甲基黃溶液以已知的初始濃度放入燒瓶中。活性炭的重量固定為每個燒瓶0.1g。使用等溫水浴振蕩器在120 rpm和恒溫下攪拌混合物，直到達到平衡。使用雙光束紫外可見光譜儀在最大波長410 nm下測量甲基黃染料的濃度。

　　接觸時間和吸附物初始濃度的影響

　　圖2說明了甲基黃初始濃度和接觸時間對30°C時吸附平衡的影響。隨著初始染料濃度從20 mg/L增加到100 mg/L，發現平衡時的染料吸附量增加。這些表明初始濃度提供了必要的驅動力，以克服對染料分子在水相和固相之間傳質的阻力。初始濃度越高，濃度梯度的驅動力越大。從圖中可以看出，較高的初始濃度的染料溶液需要更長的接觸時間才能達到平衡。初始濃度為20-40 mg/L的染料溶液達到平衡所需的接觸時間約為3-5小時。

　　圖2：初始濃度和在30°C時達到吸附平衡的接觸時間。

　　該觀察結果可以解釋為，最初染料分子被吸附在活性炭的外表面上，這使得吸附速度非常快。當外表面的吸附達到飽和時，染料進入顆粒的內部孔中。這種現象花費了較長的接觸時間。因此，由于有限的表面可附著區域，染料分子需要進一步擴散到孔中，因此具有較高初始濃度的染料溶液需要相對較長的接觸時間才能達到平衡。

　　溶液溫度的影響

　　溫度對吸附過程有顯著影響，因為溫度的變化會引起吸附劑對特定吸附物的平衡吸附能力的變化。因此，如圖3所示，通過將溶液溫度從30-60°C改變來研究溶液溫度對染料去除的影響。隨著溫度從30-60升高，對甲基黃的吸附容量從42.9 mg/g增加到46.2 mg/g。溫度表明吸附反應本質上是吸熱的。眾所周知，由于溶液粘度的降低，溫度升高會增加被吸附物分子在外邊界層以及在活性炭顆粒內部孔中的遷移率或擴散速率。

　　圖3：溶液溫度對活性炭吸附容量的影響。

　　等溫線建模

　　設計目的。在這項研究中，發現甲基黃在活性炭上的吸附非常適合Freundlich等溫線模型，該模型具有較高的相關系數，與其他模型相比，R2為0.988。這表明發生的吸附過程是多層吸附并且本質上是非均質的。異質性是由于表面上存在不同的官能團以及各種吸附劑與被吸附物的相互作用而引起的。此外，nF值大于1，表明活性炭和甲基黃染料之間有很強的相互作用，并具有良好的吸附性。高吸附能力可以歸因于其較高的表面積和發達的中孔結構。

　　活性炭的吸附過程受化學吸附作用的控制，化學吸附作用是通過吸附劑和被吸附物之間電子的共享或交換而作用的價鍵。吸附實驗表明，用擬二級動力學模型可以最好地描述吸附動力學。同時，Freundlich等溫模型最適合吸附平衡數據，在30°C下的吸附容量較大。

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