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A Study of the Adsorption of Phenol by Activated Carbon from Aqueous Solutions


关于活性炭对溶液中苯酚吸附作用的研究
商用的活性炭作为水溶液中去除苯酚的一种吸附剂,其可行性已得到验证。 在振荡时 间,活性炭质量,和被吸附物的浓度处于最佳实验条件时,活性炭的吸附容量达到最大。 Langmuir 恒温方程式适用于活性炭吸附实验研究浓度范围内的所有数据。在相同的实验 的条件下, 我们也研究了活性炭对三硝基酚, 焦棓酸和水杨酸的吸附作用。 用蒸馏水, NaOH 和 HCl 溶液洗涤回收吸附在活性炭上的苯酚。 关键词 苯酚 ,活性炭 ,吸附和水溶液

引言 目前由于从煤炭中提炼生产合成燃料的几种技术尚不成熟, 从而煤炭转化为合成燃料 的过程中产生的污水含有大量的苯酚,也就是说,污水中苯酚浓度约为 200-600mg/l1。而 这些污水都被排放到天然水域中,污染地下水。而且即使很低浓度的苯酚,对身体健康也 有毒害作用。人体摄入了这种污水会引起蛋白质变质、组织侵蚀、中枢神经系统麻痹和肾 脏,肝脏与胰腺的破坏 2。苯酚在水中的阈值为 4000ug/l1,因此在工业废水排入水体之前 去除苯酚是很有必要的。 活性炭吸附被认为是一种有效的去除污水中苯酚的方法, 这是由 于活性炭具有表面积大、渗透力弱、吸附容量大、纯度高和再生性强的特点。几个研究员 3-8 通过这些研究确定了商业活性炭去除溶液中苯酚的效 研究了活性炭对苯酚的吸附作用 , 率。 实验 9 e 商业活性炭被(Riedel-de Ha && n,item No.18001)用作吸附剂。用不同的物理方法 预先确定不同物理量的参数值,如表 1。 表一.活性炭实验各参量下的测量值 参量 pH 炭容量 比表面 积 孔隙度 孔隙容 积 容积密 度 振实密 度 真密度 平均粒 度 方法 pH 计 炭分析器 N2 吸附 Hg 透过率 N2 吸附 粉末密度计 粉末密度计 N2 吸附 气压过筛定 积器 测量值 6.8 87.6% 750 m 2 / g 60.3% 1.5 cm 3 / g 0.23 g / cm 3 0.46 g / cm 3 0.99 g / cm 3 5 um

活性炭吸附苯酚实验是在室温(22 ± 1° C)下按批处理技术进行的。活性炭吸附的详 细步骤与其他吸附是一样的。 除非另有说明, 溶液中苯酚的浓度都是用波长为 269 的分光 光度计(Double beam,Shimadzu UV-160A)测定的。其吸附去除率是按常规方法计算的。

结果与讨论 在最初的实验中考查了振荡时间对苯酚吸附的影响。实验方法:在 10ml 0.01g/l 的苯 酚溶液(pH3.4)中加入 0.1g 活性炭,然后每隔一段时间(2 到 120 分钟不等)振荡一次。 从该实验中我们获悉活性炭吸附过程几乎是瞬时的, 而且能在 5 分钟之内达到平衡。 因此 对于任一进一步的实验,我们都选定振荡时间为 10 分钟。同时,快速平衡的建立表明活 性炭对苯酚的高吸附容量。 加入的活性炭的的质量是影响吸附效果的另一个参数。实验方法:在选定的 10 分钟 振动时间和 0.01g/l 的苯酚溶液的条件下,分别加入质量为 0.02,0.04,0.06,0.08,0.10, 0.12g 的活性炭,进行一组吸附实验,实验结果如图一。图一表明,随着加入的活性炭质 量的增加,吸附百分比也越高。当加入的活性炭质量为 0.1g 时,溶液中几乎 99%的苯酚 都能被吸附去除。因此,在后述的实验中,都选择加入 0.1g 的活性炭。图一也表明即使 是只加入 0.02g 的活性炭,苯酚的吸附百分比也高达 94%。 苯酚浓度对活性炭吸附作用的影响是在 10 分钟的振荡时间和 0.1g 的活性炭的最佳条 件下进行实验研究得到的。在 0.1~0.7g/l 的苯酚溶液浓度之间,每隔 0.1g/l 选择一个实验 点,进行实验,得到图二所示实验结果。图二表明,苯酚溶液浓度增加到 0.3g/l 时,苯酚 的吸附去除率任在 99%以上。但当溶液浓度大于 0.3g/l 时,随着浓度的增加,苯酚的吸附 百分比下降。这就表明:在溶液浓度的增加的过程中,高吸附百分比的实验点比较少。

有关苯酚浓度对吸附的影响方面的数据是用 Freundlich 和 Langmuir 恒温方程研究 的。图二数据对应的 Freundlich 线性方程是 log X= log A + 1/n log C,各数据适用该方程 得到图三所示图形。方程中 X 表示每克活性炭吸附的苯酚的量;C 代表溶液中苯酚的剩 余浓度(g/l) ,也就是最终浓度;1/n 表示直线斜率,代表着吸附效果随苯酚溶液浓度的 不同而不同;A 是截距,它表示活性炭所能从从单位浓度溶液中吸附苯酚的容量。从图上 可以看出, Freundlich 线性方程不适用于上面实验所研究的浓度范围之外的其他浓度。 图二的 Langmuir 线性方程式是(C/X) = 1/KX +C/Xm。其中 C 和 X 的意义同上;Xm 是单层容量的大小;K 是关于吸附热的一个常量。以(C/X)做纵坐标,C 为横坐标,得到 一条图四所示直线。该图表明在所研究的浓度范围内,各实验数据是符合 Langmuir 线性 方程的。通过线性回归分析得到该直线的线性相关系数达到了 0.9957。.

在前述最佳吸附条件下,实验得到活性炭对其他有机物(三硝基酚,焦棓酸,水杨 酸)吸附百分比,并将其与对苯酚的吸附百分比相比较,以检验活性炭作为吸附剂的可行 性,比较结果如表二所示。图二表明,活性炭对这些化合物的吸附百分比也很高,因此, 这些有机物能与苯酚一起用活性炭从溶液中回收。

活性炭去除苯酚的可行性是通过洗涤实验来评估的。这个实验需要一个 30 cm x 0.7 cm 的玻璃杯,玻璃杯里面用一个玻璃丝网盛有已知重量的活性炭。然后装入 0.1g/l 的苯 酚溶液,并保持 10 分钟,超过 99.8%的苯酚将会被活性炭吸附。用蒸馏水,0.5M NaOH 和 0.1 M HCl 来洗涤被吸附了的苯酚。图五显示了苯酚的洗涤过程。蒸馏水,0.5M NaOH 和 0.1 M HCl 洗涤苯酚的能力如下:

之所以有这种明显的差距, 是因为它们有不同的离子组成形式。 酚盐离子比苯酚具有 更大的振动能。这是由于与酚盐离子相比,苯酚这种规范的结构既没有电荷分离,也没有 负电性元素(氧) 。因而在水中离子更稳定。因此,与在水中相比,在 NaOH 溶液中被吸 附了的苯酚更容易溶析出来。HCl 能够使苯酚中的氧质子化,但是离子形式更不稳定,由 于规范结构的电荷分离和正电荷附着于更多的负电性元素上。但是, HCl 的溶析能力还是 比水强,因为 HCl 中的离子能加强溶解度。总之,NaOH 是比酸和水更好的溶析试剂, 这从图五中能明显得到。NaOH 溶析率达 99%, 而 HCl 只有 12% ,H2O 6%. 结论 在这些数据的基础上, 我们得到在废水溶液排到水体之前, 活性炭能够作为吸附剂去 除溶液中的苯酚。这种方法简单,经济,快速而且不需要任何化学处理。而且被吸附了的 苯酚能被洗涤出来, 得到的苯酚可以应用于各种工业。 而释放苯酚后的活性炭也能回收利 用,不会产生废物处理问题。


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