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【研究】利用农业废弃物制备的介孔活性炭从水溶液中快速去除锌(Ⅱ)

发布日期:2018-11-16 11:03 来源:活性炭网 作者:活性炭网 浏览数:

从制备的低成本活性炭(XSBLAC) 文冠 文冠果 邦基 船体 通过化学活化进行了研究,以确定其吸附和解吸性能锌从水溶液(II)离子。 基于其N 2 - 吸附/解吸等温线,EDX,XRD,SEM和FTIR结果

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1.简介

锌(II)经常出现在从工业中排出的废水中,例如电镀,颜料,电池制造单元,采矿,冶金和城市废水处理厂。锌(II)是众所周知的有毒金属离子,可通过食物链中的生物累积威胁人类生命。世界卫生组织建议饮用水中锌的最大浓度为5.0 mg / L [ 1 ]。在排放前去除锌(II)离子或将其浓度降低到允许的水平是必要的,以防止对生态系统和公共健康的有害影响[ 2 ]。

许多方法已被用来从废水中,包括沉淀,聚集,离子交换,膜过滤,并除去电解锌(II)离子[ 34567 ]。有害废物的成本和产生是与大多数这些过程相关的重要参数,特别是对于低浓度的锌(II)。目前,吸附被认为是从水溶液中除去锌(II)的有效技术。已经研究了商业活性炭(AC)作为废水处理的吸附剂; 它具有高度发达的孔隙率,较大的内表面积和较高的机械强度[ 8]。然而,制造AC非常昂贵[9 ]。为了克服这个缺点,AC可以从各种各样的原料和低成本的农业废物的副产物,包括椰子壳,山核桃壳,稻壳,油棕榈壳,甘蔗渣,椰子壳,和锯末[来生产1011121314151617 ]。

从农业副产品中生产AC是一个越来越有趣的研究领域,因为它解决了农业残留物的处理问题。作为能源树种的主要来源,文冠果Xanthoceras Sorbifolia Bunge)在北方地区,特别是中国内蒙古自治区广泛而广泛地种植,在农业产业中发挥了非常重要的作用。此外,内蒙古地区拥有大量加工工业企业,往往产生一些含重金属的污染物。因此,我们可以有效地利用文冠果Xanthoceras sorbifolia Bunge)的生物量资源,将其作为一种潜在的高吸附剂,并将其应用于工业废水,以“废物管理废物”为目的。这是解决中国北方工业化可持续发展相关问题的有效方法。从这个角度来看,农业与当地产业结合起来管理生态环境的方式是这项工作的新颖之处。在实践中,XanthocerasSorbifolia Bunge船体(XSBL)是生产的副产品。XSBL可免费大量供应,可作为吸附材料开发的良好基础。目前,现有文献中没有关于使用Xanthoceras Sorbifolia Bunge hull AC(XSBLAC)去除锌(II )的信息。

目前的工作旨在通过使用H 3 PO 4的化学活化从XSBL制备AC,并表征其处理含锌(II)废水的能力。这种XSBLAC生产工艺是新颖的,因为它采用了国家发明专利方法[ 18 ]。通过分析N 2来研究XSBLAC的性质吸附/解吸,能量色散谱(EDX),X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)结果。此外,详细观察了锌(II)的吸附和解吸能力。通过各种方案系统地研究了影响XSBLAC吸附和解吸行为的各因素,包括锌(II)的初始浓度,pH值,吸附温度,吸附时间,HNO 3浓度,解吸温度和解吸时间。测定了XSBLAC的吸附动力学和等温线; 焓(Δ ħ 0),熵(Δ 小号0)和吉布斯自由能(Δ G ^ 0)计算值; 基于傅里叶变换红外(FTIR)和SEM /能量色散X射线(EDX)光谱分析,讨论了锌(II)吸附的机理。最后,关于XSBLAC再循环应用的探索性研究结果为锌(II)去除提供了参考,并且在五次吸附/解吸循环后评估其再生能力,显示出良好的再循环能力。

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2.实验

2.1。物料

本研究中使用的XSBL作为原料来自中国赤峰。使用前,用热去离子水洗涤样品以除去污垢颗粒,在阳光下干燥一段特定的时间,在高速旋转切割机中研磨,筛分至0.5-0.8mm的粒径。实验用途。使用购自天津北联精细化学品有限公司(天津,中国)的分析试剂(AR) - 硝酸盐制备锌(II)(1000mg / L)的储备溶液。所有其他化学品均为试剂级,无需进一步纯化即可使用。使用去离子水制备所有溶液。

2.2。AC准备

使用去离子水将固体XSBL残余物洗涤至中性,并在100℃下在热空气烘箱(Memmert VO400,Schwabach,Germany)中干燥24小时。随后,将干燥的物质浸泡在H 3 PO 4(85wt%)中并磁力搅拌(500rpm)1小时。浸渍率计算为溶液中H 3 PO 4的重量与所用XSBLBL的重量的比率。将该材料在500℃的管式炉(FSX2-12-15N,天津,中国)中化4小时。然后将样品在氮气氛中冷却至室温并用去离子水洗涤直至pH水平稳定。将其在烘箱中在120℃下干燥过夜,研磨,最后过筛至200目[ 18]使用标准筛(型号Φ200)。然后,将该粉储存在气密包中以供实验使用。

2.3。吸附研究

精确称量一定量的XSBLAC 0.1000g(BS210S,Sartorius,Gottingen,Germany)并加入到50mL已知浓度的锌(II)溶液中。在恒温振荡器(SHA-C,Zhangjiagang,China)中以120rpm的均匀速度搅拌悬浮液,并使用一定量的具有pH计的NaAc-HAc溶液(PB-10,Sartorius,德国)。当达到吸附平衡时,将混合物以6000rpm离心10分钟(H2050R,Changsha,China)。使用紫外(UV) - 可见分光光度计(TU-1901,Beijing,China)测定上清液中锌(II)的残留浓度。用不同的初始锌(II)浓度,pH值,吸附温度和时间进行吸附实验。考虑到实验误差,在相同条件下平行进行三次实验,得到的结果基于平均值。使用等式(1)确定锌(II)溶液的吸附容量[19 ]:

q1C0C.ŤV1× 65.381
(1)

其中t,1(mg / g)是时间t(min)处的吸附容量0t,1(mol / L)分别指的是初始锌(II)浓度和时间t(min)的最终浓度1(mL)是指锌(II)的体积,1(g)是吸附剂的质量。在计算t,1中,假定锌(II)没有损失到任何其他机制(例如,挥发,玻璃器皿上的吸附或降解)。

2.4。解吸和再生研究

精确称量样品(0.1000g)负载锌(II)的XSBLAC并转移到不同浓度的50-mL HNO 3溶液中。将每种混合物置于超声波清洗机(KS-300EI,Ninbo,China)中。当在一定温度下达到平衡时,将悬浮液离心,并测定溶液中解吸的锌(II)浓度。考虑到实验误差,进行了三次实验,结果的再现性在±3%以内。根据等式(2)[ 20 ] 计算负载锌(II)的XSBLAC的解吸能力

q2C.2V2× 65.382
(2)

其中t,2(mg / g)是指在时间t(min)的解吸量t,2(mol / L)是在时间t(min)下解吸溶液中的锌(II)浓度2(mL)是指解吸溶液的总体积,2(g)是负载锌(II)的XSBLAC的质量。

进行重复批次实验以检查XSBLAC去除锌(II)的可重复使用性。用去离子水洗涤该物质以除去残留的酸,并在120℃的烘箱(DZF-6210,Shanghai,China)中干燥,用于随后的锌(II)吸附。测定并分析锌(II) - 吸附和解吸能力。吸附/解吸过程连续进行五次。

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3。结果与讨论

3.1。吸附剂表征

基于N 2 -吸附/解吸等温线(Micromeritics ASAP 2020,Norcross,GA,USA)表征XSBLAC的比表面积和多孔系统粉末样品的XRD分析使用具有Cu阳极的X射线功率衍射仪(PAN Alytical Co.,X'pert PRO,Almelo,The Netherlands)在40kV和40mA下进行,并在4°至18°扫描。 8°/分钟。使用SEM-EDX(HITACHI S-4800,Tokyo,Japan)进行样品的形态变化和表面分析。用FTIR分光光度计(Thermo Nicolet,NEXUS,TM,Waltham,MA,USA)在KBr粒料中记录FTIR光谱。

3.2。XSBLAC的特性

2 -吸附/解吸等温线提供了关于含碳吸附剂孔隙率的定性信息[ 21 ]。由其N 2 -吸附/解吸等温线获得的XSBLAC的表面物理参数总结在表1中根据结果​​,使用t-绘图法计算XSBLAC的最高表面积(688.62m 2 / g)和总孔体积(0.377cm 3 / g)。另外,发现XSBLAC的结构松散,在其表面上产生许多孔。根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC),XSBLAC的中孔结构可由其平均孔径(D p = 2.2nm)支持

表格1

在这项工作中研究的样品的孔结构参数。

样品 SBET(m2 / g) ext(m2 / g) ext / SBET(%) Smic(m 2/ g) Vtot(cm 3/ g) Vmeso(cm3 / g) meso / Vtot(%) Dp(nm)
XSBLAC 688.62 477.87 69.4 210.43 0.377 0.252 66.8 2.2

分析数量:三。BET特定表面积; 小号分机 -mesopore表面积,S EXT / S BET孔表面积到比表面积的-ratio,S 麦克风 -micropore表面积,V TOT -total孔体积,V 内消旋 -mesopore体积,V 内消旋 / V TOT -ratio中孔体积与总孔体积的关系,D p-平均孔径。

图1显示了XSBLAC的孔径分布。XSBLAC的孔径在0.5nm和5.5nm之间,并且具有宽孔径分布和低孔体积。表2可以看出,中孔表面显着增加。因此,大量的微孔成为中孔。

 
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图1

XSBLAC的孔径分布。

表2

通过EDX分析确定的全局表面组成。

样品 猫 %) O(at%) N(at%) Cl(at%) 钠(%) O / C(%) N / C(%)
XSBLAC 80.26 12.92 5.62 0.75 0.45 16.1 0.07
XSBL 60.33 34.96 3.41 0.93 0.37 60.0 0.06

通过EDX对XSBLAC和XSBL进行元素分析。表2所示,XSBLAC的C,O,N,Cl和Na含量分别为:80.26%,12.92%,5.62%,0.75%和0.45%。另外,在处理过程中使用活化试剂H 3 PO 4从XSBL制备的XSBLAC 显示出比XSBL(60.33%)更高的C含量(80.26%)。

XRD是一种确定吸附剂形态特征的有效方法。图2显示了XSBL和制备的XSBLAC的XRD图像。两个宽峰存在于前体的XRD,近2中观察到θ = 15°和22°,并且归因于XSBLBL的脂族链; 这表明XSBLBL具有乱层结构和定义的无定形碳。XSBLAC的XRD图案(图2)示出的衍射峰在2 θ = 26°,29°和30°,有可能是因为内部的蚀刻中H 3 PO 4在XSBLAC和成形石墨状微晶层中活化和增加复杂孔隙数量,表明形成更多无定形碳基石墨微晶[ 22 ]。此外,该分散峰(2 θ = 15°)持续存在,示出XSBLAC在一个型非晶状态的存在。

 
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图2

原始XSBL和XSBLAC的XRD图谱。

XSBL和XSBLAC的SEM图像如图3所示该图显示XSBL的表面包含许多薄片或在其结构中具有大孔的层(图3a)。然而,AC似乎具有发育良好的粗孔表面,具有不规则的孔隙和断裂( 3b)。微孔和中孔的混合物存在于SEM图像中。该结果可归因于在活化期间孔隙的产生和原始结构中的无机化合物的基本去除,最终产生多孔表面。

 
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图3

原始XSBL(a)和XSBLAC(b)的SEM图像

3.3。pH值对吸附的影响

锌(II)溶液的pH值具有很大影响,必须在吸附过程中加以考虑。因此,最初进行实验以优化pH值,测试值为2.0至6.0,以研究pH对锌(II)去除的影响,如图4所示XSBLAC对锌(II)的吸附具有高度的pH依赖性,因为XSBLAC的表面电荷受pH值的影响[ 23 ]。实际上,锌(II)的最大吸附容量在pH值为5.2时实现。该结果可以通过H +和锌(II)离子在低pH水平下在XSBLAC表面上的活化吸附位点之间的竞争来解释当pH增加时,覆盖的H +离开AC表面,为锌(II)提供更多的吸附位点。根据锌的溶度积常数(II)水解(对ķ SP θ = 16.92),随着pH值的增加,负电荷密度也增加,导致产生在XSBLAC含氧官能团和/或配体的。因此,使用的所有pH值均低于6.0,确保在吸附过程中不发生氢氧化物沉淀。对重金属的吸附类似的pH影响已在文献中报道[ 2425 ]。因此,本研究中锌(II)吸附的最佳pH值为5.2。

 
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图4

pH值对XSBLAC对锌(II)吸附容量的影响。(吸附实验 - 样品剂量:0.05g;初始锌(II)浓度:0.015mol / L; pH范围:2.0-6.0;温度:60℃;吸附时间:40分钟)。

3.4。温度对吸附的影响

在实际应用中研究温度对锌(II)吸附的影响是很重要的。在此,在不同温度的等温条件下讨论了XSBLAC的温度与吸附容量之间的关系,如图5所示。随着温度从25℃升高到60℃,XSBLAC的吸附容量增加,表明高温促进了锌(II)在XSBLAC表面的吸附。该结果可归因于以下事实:高温可在结构内产生松散效应并活化XSBLAC的官能团,导致锌(II)离子进一步吸附到AC结构中。然而,在高于60℃的温度下,吸附容量降低,这是吸附过程的吸热行为。这些结果可归因于XSBLAC和锌(II)之间的化学吸附作用。在以下实验中,选择5.2的pH作为最佳pH值。

 
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图5

温度对XSBLAC对锌(Ⅱ)吸附容量的影响。(吸附实验 - 样品剂量:0.05g;初始锌(II)浓度:0.015mol / L; pH范围:5.16;温度:25-75℃;吸附时间:40分钟)。

3.5。吸附动力学

研究了吸附时间对XSBLAC去除锌(II)的影响,结果如图6所示XSBLAC的吸附容量从10到40分钟大大增加,直至达到平衡,然后随着吸附时间的进一步增加而保持接近稳定。这种行为可能是为什么锌(II)离子首先吸附在表面的不饱和活化功能位点上,随后扩散到XSBLAC的微孔中,最后吸附在功能位点上,从而使材料的中孔饱和并达到吸附平衡。因此,选择40分钟的吸附时间作为在实验条件下吸附锌(II)在XSBLAC上的最佳平衡时间。

 
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图6

时间对XSBLAC对锌(Ⅱ)吸附容量的影响。(吸附实验 - 样品剂量:0.05g;初始锌(II)浓度:0.015mol / L; pH值:5.16;温度:60℃;吸附时间:10-80分钟)。

为了研究吸附的潜在速率控制步骤,通常使用伪一阶,伪二阶,粒子内扩散,Elovich和Bangham动力学模型来拟合实验数据,其被描述为等式(3) - ( 7)[ 262728 ]。

lg qËq1lg qËk1Ť2.303
(3)

 

Ťq11ķ2qË2tqË
(4)

 

t =  i t 0.5
(5)

 

qŤ1βLN α β1βLN Ť
(6)

 

记录qŤlog k[R1登录Ť
(7)

其中et,1分别是平衡时和时间t(min)吸附的锌(II)离子的量(mg / g)1(min -1)是伪一阶速率常数; 2 [g·(mg / min)-1 ]是拟二级吸附动力学方程的速率常数; i [mg·(g·min 0.5-1 ]是颗粒内扩散速率常数; α [mg·(g·min)-1 ]是初始吸附率; β(g / mg)与化学吸附的表面覆盖率和活化能有关; r [mg·g -1 ·min -1 ]是吸附速率常数; 1 / m是吸附强度的指标。

这五个模型的拟合通过LN的各线性图检查(ë - )对图7 A),( / )相对于图7 b)中,0.5图7 c)中,对LN 图7 d),和ln 节LN 图7分别e)中,。- [R 2计算五种吸附动力学模型的恒定值,并在表3中给出根据表3中计算的动力学模型参数和通过比较实验平衡吸附容量,清楚地发现计算的e值(103.82 mg / g)与实验数据(110.48 mg / g)一致,并且伪- 二阶模型基于2(0.9416)的值产生了良好的拟合,表明拟二级动力学模型能够反映XSBLAC的吸附过程。因此,显然化学吸附应该是锌(II)离子吸附到制备的活性炭XSBLAC上的限速步骤。

 
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图7

伪一阶(a); 伪二阶(b); 颗粒内扩散(c); Elovich(d)和Bangham(e)吸附动力学方程拟合实验数据曲线。(吸附实验 - 样品剂量:0.05g;初始锌(II)浓度:0.015mol / L; pH值:5.16;温度:60℃)。

表3

比较估计的吸附速率常数e和五个动力学模型的相关系数。

金属 e(exp)(mg / g) 参数 伪一阶 伪一阶 粒内扩散 Elovich 邦哈姆模型
锌(II) 103.82 2 0.6349 0.9416 0.7901 0.8724 0.7576
常量 1 0.01329分钟-1 2 2.764×10-4 min -1 ķ  15.302毫克/(克分0.5 α 11.2501 mg /(g min) r(mg·g-1 ·min-1 0.7942
  È(CAL) 76.36毫克/克 È(CAL) 110.48毫克/克     β 0.01327克/毫克 0.1004

3.6。吸附等温线

初始锌(II)浓度对XSBLAC吸附容量的影响如图8所示锌(II)的初始浓度显着影响吸附容量,随着初始锌(II)浓度增加直至平衡而急剧增加,但随着锌(II)浓度进一步增加,其几乎不增加。因此,锌(II) - 去除过程可能涉及XSBLAC和锌(II)上的活化位点之间的相互作用,这可能是由于初始锌(II)浓度的增加加速了锌(II)与XSBLAC的结合,从而增加了浓度梯度的驱动力[ 29]。增加锌(II)浓度进一步不增加吸附容量,因为XSBLAC上的活化位点是饱和的。初始锌(II)浓度为0.015mol / L用于确保达到吸附平衡。

 
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图8

初始锌(II)浓度对XSBLAC对锌(II)吸附容量的影响。(吸附实验 - 样品剂量:0.05g;初始锌(II)浓度:0.005-0.025mol / L; pH值:5.16;温度:60℃;吸附时间:40分钟)。

吸附等温线模型通常用于描述当达到吸附平衡时固相和液相之间的吸附过程的特征。Langmuir和Freundlich等温线的线性形式分别由等式(8)和(9)[ 30 ]表示:

CËqË1qC.Ëq
(8)

 

qËln kF1ñCË
(9)

其中e是平衡时锌(II)的浓度(mol / L),e是吸附量(mg / g),m是完全单层吸附容量(mg / g),b是Langmuir常数与吸附容量(L / mg)有关,nf是Freundlich常数。

e / te的关系曲线如图9a所示,Langmuir常数使用表4中列出的斜率和截距计算类似地,使用ln e对ln e的曲线 9b)来评估Freundlich常数,其也在表3中给出根据表4中的相关系数(2)值2值为0.9793(p(1.327×10 -4)<0.01)Langmuir等温吸附模型高于Freundlich模型,2值为0.7683(p(0.0026)<0.01),并且锌(II)离子的吸附没有显着性。吸附过程的实验数据具有更好的相关系数值,更好地符合Langmuir等温模型,而不是Freundlich模型(图9)。因此,发现锌(II)在XSBLAC上的吸附过程遵循Langmuir等温模型(2 = 0.9793,p<0.01),最大单层吸附容量为103.82mg / g。该结果揭示了锌(II)锚定在XSBLAC上的丰富官能团上,形成单层表面覆盖,其本质上是均质的。此外,Langmuir方程的特征可以根据等式(10)[ 31 ] 的平衡参数(L来解释

[R大号1C.0
(10)

其中b是朗缪尔常数(L / mg),0是初始浓度(mol / L)。L的值描述了吸附的性质:不可逆(L = 0); 有利的(0 < L <1); 线性的(L = 1); 不利(L > 1)[ 32 ]。在该研究中,计算了给定的初始锌(II)浓度范围内L值(0.1362)并显示在表4中,证实XSBLAC在所用的吸附条件下有利于锌(II)吸附。

 
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图9

Langmuir(a)和Freundlich(b)等温方程拟合实验数据的曲线。(吸附实验 - 样品剂量:0.05g; pH值:5.16;温度:60℃;吸附时间:40分钟)。

表4

从Langmuir和Freundlich获得的吸附平衡常数是锌(II)吸附到XSBLAC上的等温线。(吸附实验样品剂量:0.05g; pH值:5.2;温度:60℃;吸附时间:40min)。

m(mg / g) Langmuir等温方程 Freundlich等温方程
e(mg / g) b(mg / L) L. 2 p 1 / n的 f(mg / L) 2 p
103.82 100.76 0.0039 0.1362 0.9793 1.327×10-4 0.4133 4.614 0.7683 0.0026

计算热力学参数以确定哪个过程会自发发生。的热力学参数(Δ变化ħ 0 Δ,小号0并且Δ ģ 0)应提供的洞察的分离系统[机制和吸附33 ]。焓(Δ ħ 0)和熵(Δ 小号0)值可以从LN的曲线的斜率和截距计算ķ对1 / Ť根据等式(11)[ 34 ]:

K.Δ 小号0[RΔ ħ0T.
(11)

其中R(8.314 J / mol·K)是通用气体常数,T(K)是以开尔文为单位的吸附温度。的吉布斯自由能变化(Δ G ^ 0在根据等式(12)每摩尔升单位)从朗缪尔计算平衡常数[ 35 ]:

Δ ģ 0 = - [R Ť LN ķ
(12)

其中K(L / mol)来自Langmuir方程,单位为升/摩尔。的吉布斯自由能(Δ G ^ 0)为-19.91千焦/摩尔,在60℃,而其负值验证所施加的实验条件下的热力学可行性和吸附过程的自发性。Δ ħ 0为59.68千焦/摩尔,这进一步证实XSBLAC的吸热行为。Δ的正值小号0(0.239 J / K /摩尔)可以归因于XSBLAC的锌(II)的亲和力和在固-液界面的增加的随机性。可以得出结论,基于吸附等温线的热力学数据,XSBLAC的吸附是吸热和自发过程。

聚合物溶液的许多热力学性质如溶解度,溶胀平衡和依数性质可以用聚合物 - 溶剂相互作用参数表示。通常,Flory-Huggins相互作用参数描述聚合物共混物和嵌段共聚物中的偏析程度,其通常表示为温度T的函数为了建立χT之间的关系,我们遵循Rana等人的方法。并计算使用公式(13) - (15)[ 363738 ]。

Δ ģ 0 =Δ ħ 0  -  Ť Δ 小号0
(13)

 

Δ ģ0Tφ1ñ1LN φ1φ2ñ2LN φ2χ φ1φ2
(14)

 

χ αŤβ
(15)

其中φ 1是XSBLAC颗粒的体积分数,φ 2是锌(II)的体积分数,Ñ 1是XSBLAC颗粒的分子体积,Ñ 2是锌(II)的分子体积,χ是FH相互作用参数,T是温度,αβ分别是焓和熵对χ的贡献

已经发现χ随温度降低,其依赖性与许多系统的近似线性相关,但与1 / T不成比例在这项工作中,外推并获得了值为0.34 χ,这代表了可混溶系统和XSBLAC和锌(II)的放热。应该注意的是,χ值非常接近于零,表明在60℃的温度下更有利的混合,这更有利于XSBLAC和锌(II)之间的吸附过程。

3.7。解吸和再生

对废吸附剂进行解吸和再生研究可以产生各种益处,例如降低与吸附过程相关的成本,回收有价值的锌(II),并减少可能的二次污染。因此,解吸溶液必须廉价,有效且无污染。在本工作中使用HCl,H 2 SO 4,HNO 3,H 3 PO 4,C 2 H 5 OH和NaOH作为解吸洗脱液进行了一批解吸和再生实验,以测试它们对解吸的影响( 10a ) 。图10a清楚地表明NaOH在从XSBLAC释放键合的锌(II)离子方面几乎无效。2 H 5 OH 的解吸效率略高于NaOH,但与酸溶液相比,仍然显示出较弱的分离锌(II)的可能性。在四种酸性解吸附溶液中,发现HCl,H 2 SO 4,HNO 3和H 3 PO 4以及HNO 3是用于再生负载锌(II)的XSBLAC的良好试剂。这个结果是预期的,因为在酸性条件下,XSBLAC表面发生静电相互作用,后者被H +质子化。离子,从而允许带正电的锌(II)的解吸附。HNO 3的解吸效率优于HCl,H 2 SO 4和H 3 PO 4,从XSBLAC中去除锌(II)。

 
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图10

各种解吸试剂的效果(a); HNO 3浓度(b); 温度(c)和时间(d)对XSBLAC对锌(II)的解吸能力。

详细讨论了使用HNO 3溶液作为解吸试剂对负载锌(II)的XSBLAC的解吸能力的影响,包括HNO 3浓度,解吸温度和超声解吸时间。随着HNO 3浓度的增加,解吸能力开始增加然后降低 10b ),可能是因为累积的H +浓度增加了锌(II)和H +的浓度梯度,这构成了离子交换的驱动力并有利于解吸过程[ 39 ]。随着解吸温度的升高,解吸能力先增加后略有下降( 10c); 这种行为很可能归因于较高的温度,这可能会提高XSBLAC吸附位点的效率和活性,直至达到平衡[ 40 ]。解吸能力最初增加,然后随着超声波解吸时间的增加而保持恒定(图10d),与孔的产生一致,然后在超声条件下达到饱和[ 41 ]。随后,研究了再生和再利用XSBLAC对锌(II)的五个连续吸附/解吸循环的影响,结果列于表5中。随着再利用时间的增加,锌(II)吸附容量仅略微降低,并且解吸的XSBLAC在所用的实验条件下在第四循环中对再吸附有效。因此,XSBLAC具有优异的可重复使用性,可用作从废水中多次除去锌(II)的合适试剂。

表5

连续五个循环后锌(II)在XSBLAC上的吸附/解吸能力。

回收时间 1 第2 第3 第四 第5
吸附容量(mg / g) 103.82 94.06 92.62 80.83 42.44
解吸能力(mg / g) 78.52 73.31 71.05 60.76 19.17

3.8。吸附机理

吸附剂的表面官能团极大地影响其特性和吸附能力。锌(II)吸附和解吸后XSBLAC的FTIR光谱如图11所示(XSBLAC的吸收谱带图11一个)被发现在3200-3500厘米为包括宽重叠频带-1,峰值在3422厘米-1,这可以归因于将O-H的羟基拉伸和分子间氢键。该带的位置和不对称性意味着存在强氢键。该峰移动到较低的波数3420cm -1并在吸附锌(II)后减弱(图11b),表明XSBLAC的O-H和相应的氢键被破坏而与锌(II)反应。2452和2350cm -1处的谱带与甲基的C-H伸缩相关(图11a),并且在吸附锌(II)离子后几乎消失(图11b)。在约1670cm -1处的峰强度图11a)揭示了羧酸有机酸基团中C = O伸缩的特征,其在锌(II)吸附后转移至降低的波数并大大降低(图11 b)。从逻辑上讲,峰值出现在1184和1127 cm -1处图11a)被指定为P = O基团,因为H 3 PO 4用作活化剂,导致形成磷酸酯[ 42 ]。此外,约1043cm -1的带图11a)归因于饱和脂族基团中的C-O拉伸,和羧基的-C-O和-O-C = O拉伸,其被加宽并且吸附锌(II)后还原(图11b)[ 43 ]。在约968,815和764 cm -1处发生的吸附带与苯环和芳香醇的C-H基团有关,在560 cm -1处有峰值可以指定醇的C-O键的面外弯曲; 这些峰在吸附后收缩(图11b)[ 44 ]。此外,锌(II)离子解吸后XSBLAC的FTIR光谱( 11c)几乎与原始XSBLAC 的FTIR光谱一致(图11)一个)。吸收峰的这些变化表明XSBLAC表面上的活化位点含有羟基和羧基官能团,并且游离羧基变成羧酸盐,这表明在锌(II)离子和XSBLAC之间的吸附反应期间。通常,发生离子交换,并且在锌(II)与XSBLAC的-OH,-C = O和-O-C = O基团之间形成化学键。最重要的是,FTIR光谱比较表明,XSBL-AC可用作废水中锌(II)的有效可再生吸附剂。

 
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图11

XSBLAC的FTIR光谱(a); 吸附(b)和解吸(c)后的锌(II)。

锌(II)吸附前后XSBLAC的表面形态如图12所示 12a中可以看出,XSBLAC的表面包含许多薄片和具有台阶和断裂边缘的不规则形状和尺寸的层,这可以是用于吸附锌(II)的合适结构。在吸附过程之后,XSBLAC表面均匀地填充有锌(II)离子,并且片堆叠结构消失(图12)B)。突出尖端的分布不均匀分布,暗示锌(II)吸附在主要存在于微孔表面突出尖端的活化位点上,只有选定的官能团参与锌(II)离子的吸附。这些结果表明XSBLAC对锌(II)的吸附可能是化学相互作用,支持了先前提出的吸附机制。

 
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图12

在(a之前和之后(b)吸附锌(II)之前的XSBLAC的SEM图像

EDX是一种用于元素分析的分析技术。进行XSBLAC的EDX分析以证实锌(II)在负载锌(II)的XSBLAC上的存在。分析了锌(II)吸附前后XSBLAC的元素组成,结果如图13所示XSBLAC的EDX结果( 13a )显示存在C(80.26%),O(12.92%),N(5.62%),Cl(0.75%)和Na(0.45%)。吸附锌(II)后,在EDX光谱中发现两个新的锌(II)峰( 12b ); 负载锌(II)的XSBLAC 的at 值为C(77.76%),O(10.73%),N(5.21%),Zn(5.88%),Cl(0.31%)和Na(0.11%)。该结果证实吸附后XSBLAC表面存在锌(II)离子[45 ]。从SEM-EDX结果可以得出结论,XSBLAC可以从废水中吸附锌(II)。

 
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图13

吸附锌(II)之前(a)和之后(b对XSBLAC进行EDX分析

3.9。与先前报道的锌(II)吸附数据的比较

表6显示了用于比较目的的各种吸附剂,其已用于从水溶液中除去锌(II),如先前文献中所报道的。通过对比研究,我们可以得出结论,XSBLAC是最有效的工业废水处理吸附剂之一。

表6

用各种吸附剂除去锌(II)max的比较

吸附材料 最大值(毫克/克) 参考
XSBLAC 103.82 这项研究
单壁碳纳米管 43.66 46 ]
多壁碳纳米管 32.68 46 ]
PAV 13.04 46 ]
SIL / PE1 / GA0.5 32.79 47 ]
Frontinalis antipyretica 14.7 48 ]
PWS 82 49 ]
椰壳 8.6 50 ]
去:

4。结论

总之,成功制备了新的XSBLAC并用于溶液中以除去锌(II)离子。研究的吸附剂价格低廉且环保。实验结果表明,XSBLAC对水溶液中锌(II)离子具有优异的吸附能力,这可归因于其高表面积(688.62 m 2 / g),总孔(0.377 cm 3)。/ g),含O的官能活化基团和对锌(II)的静电吸引。进行了一批吸附试验,发现获得的实验值与模型预测的值非常一致。通过伪二阶模型很好地描述了吸附过程。XSBLAC表面锌(II)的吸附平衡数据适用于Langmuir模型(最大单层吸附容量为103.82 mg / g),热力学研究揭示了吸附过程的自发和吸热性质。当用HNO 3洗涤时,XSBLAC显示出显示出有效的解吸性能溶液作为洗脱液,获得的最大解吸容量为78.52mg / g。另外,再生后的吸附容量甚至更高,直到四次吸附/解吸循环。此外,FTIR和SEM / EDX结果表明,锌(II)离子主要被XSBLAC表面粗糙介孔中选定的活化基团吸附; 吸附机制可能是化学吸附过程。总的来说,本研究中制备的XSBLAC具有潜在的应用作为从水溶液中去除锌(II)离子的替代和低成本吸附剂。


(责任编辑:活性炭网)
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