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

　　活性炭吸附液體中鎳的研究

　　鎳是一種天然存在的重金屬，以各種礦物質(zhì)形式存在。廣泛用于電子和冶金行業(yè)，特別是電鍍，鎳鎘電池，印刷電路板，液晶顯示器等，通過燃料燃燒，冶煉，污水，和固體廢物進(jìn)入環(huán)境中。由于難以通過常規(guī)處理方法進(jìn)行處理，因此從廢水中去除金屬是一個(gè)主要問題。為了保護(hù)環(huán)境我們研究了活性炭從水中吸附鎳的物理化學(xué)條件進(jìn)行了測(cè)試。

　　吸附技術(shù)的可在從水溶液中去除可溶性重金屬離子，對(duì)于合成染料分子和其他有毒化學(xué)物質(zhì)方面處理非常出色。由于吸附是一種經(jīng)濟(jì)，效果好且易于實(shí)施的方法，因此它的實(shí)施使其成為常規(guī)處理工藝的替代方案�；钚蕴渴且环N常用的吸附劑，主要由含碳材料制成，具有改善的孔隙率以吸附化學(xué)離子。其內(nèi)表面面積和相對(duì)較高的機(jī)械強(qiáng)度，使其適合從廢水中除去重金屬。由于吸附技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)活性炭的需求猛增，并且隨著需求的提升，高指標(biāo)的活性炭成本上升。所以我們需要研發(fā)出低成本好用的活性炭來(lái)解決這方面的環(huán)保問題。

　　間歇平衡實(shí)驗(yàn)

　　使用了分析級(jí)的硝酸鎳儲(chǔ)備溶液，并使用適量的儲(chǔ)備溶液制備了六個(gè)燒杯，分別儲(chǔ)存10、30、50、70、100和120mg/L濃度的鎳溶液。使用0.5M HCl和pH計(jì)將pH調(diào)節(jié)至3.0。通過將100mg活性炭置于100 ml鎳溶液中，使用完全混合間歇式反應(yīng)器來(lái)研究水中鎳的吸附。對(duì)于炭化材料和未炭化材料，分批吸附是在30°C，35°C和40°C的溫度下進(jìn)行的，攪拌時(shí)間分別為5、10、20、40、60、90和120分鐘。對(duì)于使用0.5M NaOH緩沖溶液將相同濃度的鎳溶液調(diào)節(jié)至pH9的情況，重復(fù)相同的步驟。在平衡狀態(tài)下通過用濾紙過濾將吸附劑從溶液中分離出來(lái)。使用原子吸收光譜儀確定鎳離子的平衡濃度。

　　活性炭對(duì)鎳的吸附化學(xué)成分

　　低成本活性炭的前體是一種產(chǎn)量豐富的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，由20%至30%的纖維素組成。炭化后和未炭化分別是黑色和深棕色。XRF結(jié)果表明，未炭化原材料中的主要元素是S(83.86%)，Ti(10.08%)和Fe(3.96)，而炭化后的活性炭中的主要元素是Ca(47.16%)，K(23.82%)，S(15.69)，F(xiàn)e(5.10%)，Ti(4.82%)和Mn(1.16%)�？梢钥闯�，碳化極大地降低了原材料的硫含量。結(jié)果表明，主要元素為硫，鈣，鈦，鉀和鐵。含硫化合物離子化產(chǎn)生亞硫酸鹽，硫酸鹽和硫化物。因此，這導(dǎo)致離子化的鎳原子上的排斥電荷被中和。鈣，鐵和其他元素與水中的堿反應(yīng)，形成不溶和微溶的氫氧化物，從溶液中沉淀出來(lái)。可以通過表面羥基和被吸附離子(陽(yáng)離子或陰離子)之間的化學(xué)鍵(共價(jià)或離子)有效地發(fā)生吸附。

　　吸附性能

　　鎳離子吸附到活性炭上是通過陽(yáng)離子交換以外的其他機(jī)制完成的。圖1這表明吸附方式是溫度依賴性的，并且在比所研究的溫度更高的溫度下，吸附過程可能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)吸附。另一方面，該過程傾向于在較低的pH下發(fā)生物理吸附。物理吸附所涉及的力很弱，能量需求很小。因此，很容易達(dá)到平衡并且是可逆的。

　　圖1：活性炭和原料在不同pH值下的吸附能。

　　活性炭吸附鎳的效率

　　在低吸附物濃度下鎳的去除效率較高，而當(dāng)吸附物濃度增加時(shí)，實(shí)際的金屬離子吸附量增加。在pH9時(shí)，前五分鐘的吸附速率非常高，然后在90分鐘時(shí)緩慢達(dá)到平衡。在所有實(shí)驗(yàn)條件下，最低初始濃度為10mg/l時(shí)，這種行為就很明顯。例如，對(duì)于pH為9且溫度為30°C的活性炭，其吸附效率在5分鐘時(shí)為92.31%，在90分鐘時(shí)為97.85%。類似地，對(duì)于在pH3時(shí)相同的理化特性，在5分鐘時(shí)的吸附效率為14.1%，在90分鐘時(shí)的吸附效率為49.18%。此行為可歸因于在pH9時(shí)帶正電的鎳離子與帶負(fù)電的活性炭表面之間的親和力高。

　　在較高的溫度和pH下可獲得更好的覆蓋率�；钚蕴康谋砻娓采w率高于原材料(圖2)。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)案例中，在pH9和40°C下，原料的最大覆蓋率為99.3%;在pH9和35°C下，活性炭的最大覆蓋率為92%;在pH3和35°C下，活性炭的最大覆蓋率為55.4%;在pH3和40°C下，原料的含量為50%。在較高的鎳濃度和較高的pH值下可獲得較高的表面覆蓋率。表面覆蓋率是溶質(zhì)對(duì)活性位點(diǎn)利用程度的量度。因此，較高的表面覆蓋率表明可用場(chǎng)所的利用率更高。

　　圖2：不同溫度和pH條件下活性炭的表面覆蓋圖。

　　活性炭吸附液體中鎳的研究中發(fā)現(xiàn)活性炭比原材料具有更高的吸附能力，研究記錄60分鐘內(nèi)pH值為9的活性炭從溶液中完全去除(100%)的鎳離子。一克活性炭可以通過大部分離子交換從水溶液中去除多達(dá)120mg的鎳，從而實(shí)現(xiàn)完全的單層覆蓋。并且在堿性介質(zhì)(pH9)中的吸附過程比在酸性介質(zhì)(pH3)中的吸附過程更有利。隨著實(shí)驗(yàn)證明這次開發(fā)的活性炭能更經(jīng)濟(jì)的從水中去除鎳。

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