活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產學研合作

　　活性炭從液體溶液中回收稀土元素鋱

　　稀土元素由于特性和在一些領域中發(fā)揮著關鍵作用，越來越引起科學界和工業(yè)界的關注。這些元素是幾種電氣和電子材料的重要組成部分。然而，天然稀土元素的沉積是有限的，導致對次級資源的高度依賴。吸附法是一種好用、低成本的濕法冶金方法，是從水溶液和各種介質中回收稀土元素和金屬的常用方法。從這個意義上講，由于活性炭具有很高的表面反應性，孔隙率和總表面積，因此它們是好用的吸附劑。這次使用以農業(yè)廢料為原料進行水醇處理制成活性炭，從液體溶液中回收鋱。

　　由于技術的不斷發(fā)展，導致了很多的廢棄電氣電子設備(所謂的電子垃圾)的生產。當了解到這些電子垃圾中可以提取金屬或者稀土元素后，我們開始研究怎么樣的提取方法更加便宜便捷。例如，從液晶顯示器和等離子顯示屏(LCD/PDP)，移動電話，汽車工業(yè)中的電路板，永磁體和熒光體。為了實現(xiàn)稀土元素回收，濕法冶金操作涉及浸出，化學沉淀，離子交換，乳化液膜技術在不斷發(fā)展。但是，在大多數(shù)情況下，這些技術對稀土元素的回收效率不高，價格昂貴，并且需要較長的時間。所以研究了一種活性炭作為吸附劑從液體溶液中回收鋱的應用。通過水醇法，隨后進行隨后的物理活化過程來制備活性炭。研究了溶液的pH，溫度和吸附劑數(shù)量等幾個參數(shù)，以評估它們對吸附過程的影響。

　　活性炭吸附鋱的解吸實驗

　　吸附實驗：使用玻璃反應器在25°C下機械搖動下，通過分批實驗研究在活性炭上的吸附。對于吸附實驗，通過溶解六水硝酸鋱在水中，以獲得1g/L的溶液。然后，將0.025g活性炭與0.1L含0.005g/L金屬的鋱溶液(pH值為5)接觸。為了分析pH的影響，用0.1M HCl調節(jié)所述溶液的pH值，直到在校準pH計中使用緩沖液達到所需的pH值為止。

　　解吸實驗：解吸實驗也在具有室溫機械搖動的玻璃反應器中進行。為了回收吸附到活性炭上的鋱，將過濾后的負載有鋱的吸附劑添加到0.2和0.5M HCl溶液中。此外，對于固定的載鋱活性炭劑量，研究了不同體積的解吸溶液。經(jīng)過相應的時間后，評估所得溶液中的濃度以及解吸速率。

　　水醇處理活性炭的表征

　　多孔結構的特征是使用加速表面積和孔隙率法進行氮氣吸附-解吸來測量的。活性炭的吸附-解吸等溫線如圖1所示。在吸附在低壓下量大幅增加被發(fā)現(xiàn)，這表明微孔的材料中的存在下進行。此外，可以觀察到磁滯回線。磁滯回線的下部代表中孔的填充，而上部則歸因于排空。因此，獲得的結果表明，獲得的材料同時具有微孔和中孔。

　　圖1：制成的活性炭氮吸附-解吸等溫線。

　　活性炭的FE-SEM顯微照片由圖2顯示。所獲得的活性炭在表面上顯示出不均一的大孔，并且具有少量的孔。另外，發(fā)現(xiàn)了點蝕和破裂的表面。由于處理過程，該表面是物理活性炭的典型代表。但是，在較高的放大倍數(shù)下，可以觀察到介孔微結構。發(fā)現(xiàn)孔徑小于1μm。該結果與BET測量的結果非常吻合，BET測量的結果揭示了所研究材料的中孔結構。

　　圖2：活性炭的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)圖像，插圖中顯示了更高的放大倍率顯微照片。

　　活性炭吸附鋱的條件測試

　　關于溶液pH值的影響通過吸附測試發(fā)現(xiàn)，隨pH值的增加而增加。通常，活性炭表現(xiàn)出零電荷pH(pH PZC)的低點。在低于相應pH的pH值下PZC，活性炭表面呈現(xiàn)正電荷，而在比pH PZC值更高的pH值下，表面帶負電。獲得的結果可能表明該交流電的表面在pH值為2-3時主要帶正電，因此該表面與稀土元素鋱離子之間存在靜電排斥。因此，幾乎不發(fā)生吸附。然而，隨著pH值的增加，活性炭的表面帶負電，并且鋱的吸附增強。發(fā)現(xiàn)，pH2、3、4和5的pH值的吸附百分比分別為32.5%，65%和87.5%。因此，隨后的吸附實驗在pH5下進行，在當前的實驗條件下，獲得較大的吸附。

　　由于進行吸附過程的溫度可以提高或限制該過程，因此在不同溫度下進行了幾次實驗。發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，吸附容量增加。當溫度從25°C升高到40°C時，這種影響更加明顯，吸附百分比從87.5增至97.7%。此外，當實驗溫度升至60°C時，稀土元素的吸附過程接近定量。所得結果表明，溫度升高實際上對吸附容量沒有影響。另一方面，當溫度升高時，較早地達到平衡。達到25°C的平衡時間為60分鐘，達到40°C和60°C的平衡時間幾乎相同，等于40分鐘。

　　為了分析與稀土元素吸附過程有關的動力學順序，并將其擬合(3)到相應的模型。對于25–60°C的溫度范圍，實驗數(shù)據(jù)的最佳擬合被發(fā)現(xiàn)是偽二級動力學模型。因此，動力學常數(shù)和平衡吸附容量隨溫度升高而被發(fā)現(xiàn)。在這里值得注意的是，在三個溫度下，計算出的吸附容量與實驗吸附容量相似。

　　圖3：吸附動力學的擬合：(a)線性偽一階模型，(b)線性偽二階模型，(c)Elovich模型。

　　解吸過程

　　使用負載的鋱的活性炭研究了解吸步驟。使這些固體與濃度為0.2M和0.5M的HCl溶液接觸，并分析每質量吸附劑的洗脫液體積。當洗脫液體積(mL)/活性炭的質量(g)關系增加時，對于在解吸實驗中使用的兩個HCl濃度，解吸百分比實際上是相同的。但是，當洗脫液濃度從0.2M增加到0.5M時，洗脫液中的金屬回收率分別從66%增加到86%。這些結果表明，可以從負載的獲得的活性炭中較好地回收稀土元素。

　　活性炭從液體溶液中回收稀土元素鋱，證明了所制得的活性炭對鋱有吸附作用，并能較好地回收水溶液中的稀土元素。制成的活性炭具有一些特點，在氮吸附-解吸等溫線表明同時存在微孔和中孔。活性炭吸附能力隨pH值的增加(從2增至5)而增加，這可能是由于所得活性炭的表面電荷所致。另外，發(fā)現(xiàn)吸附容量隨溫度而增加，表明這是吸熱過程。實驗數(shù)據(jù)的最佳擬合對應于1型Langmuir吸附等溫線和偽二級動力學模型。另外，熱力學研究表明，活性炭對鋱的吸附過程是吸熱自發(fā)的。最后，在酸性條件下從負載活性炭中解吸鋱。鋱的解吸率在87%左右，說明活性炭對鋱回收是可能的。

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