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活性炭对水中微量酰胺咪嗪吸附规律
作者:管理员    发布于:2017-12-18 09:11:29    文字:【】【】【

  活性炭对水中微量酰胺咪嗪吸附规律吕靖张立秋封莉(北京林业大学北京水体污染源控制技术重点,3种活性炭SBET、Smic、VM和Vmic大性炭中,YAC比表面积及孔结构发达。由表2可见,3种活性炭表面均以酸性基团为主,这与Haom-daoui等119的报道一致,酸性官能团的多少顺序为YAC >MAC,而在酸性官能团中又以羟基数量占优势,YAC、XAC、MAC表面羟基含量分别为1.02、0.90和表2活性炭表面官能团Table活性炭碱性基团酸性基团酚羟基羧基内酯基2.2吸附平衡。Langmuir及Freundlich等温式各参数的拟合数据见表4,其中Q.表示活性炭单层饱和吸附量(mg/g),b为Langmuir吸附常数,RL为无量纲的分离因子,0  从表4和都能看出Langmuir等温式能更好地描述3种活性炭对微量CBZ的吸附,这说明在活性炭表面存在特异性吸附位。如表2所示,活性炭表面存在数量不等的C―OH、C一CO、C一COOH等官能团,它们能够成为活性炭表面的特异吸附位,并发生电荷转移型吸附。

  表4 Langmuir吸附等温式Freundlich吸附等温式在活性炭和CBZ的吸附体系中,电荷转移型相互作用主要包括氢键、n轨道相互作用。当官能团上的H遇到电负性大的原子,如O、S、N、F、Cl的孤对电子时便结合生成氢键;CBZ分子中含有―N―、―CO―、―NH2基团,活性炭表面的H与N、O的孤对电子接触形成氢键;反之,CBZ表面的H也可以和活性炭表面的N、O孤对电子形成氢键。CBZ分子为不饱和分子,分子中含有2个苯环和1个七元环,当n轨道电子接触活性炭表面的正电荷时,负电荷分布发生变化,产生电荷转移,使CBZ分子吸附到活性炭表面。

  活性炭对CBZ的等温吸附曲线Fig. 2.4吸附动力学,在一定时间范围(MAC:30 ~660min;XAC、YAC:5~420min)内,Qt与t1/2线性相关,这表明在吸附过程中内扩散过程均为限速步骤,而线性模拟结果显示3种活性炭的模拟直线均不过原点,如(b)所示,说明内扩散并不是的限速步骤,膜扩散也起到一定的作用。经过计算,MAC、XAC、YAC的kint分另I为0.259、0.202、0.216(表5),说明MAC的内扩散速度快;C值分别为1.912、3.293、3.161(表5),说明膜扩散作用并不显著,但3种活性炭中XAC的边界层厚,其膜扩散过程对速度控制的影响大。

  2.5吸附热力学实验分别选取20、25、30、35、40°C进行吸附实验,3种活性炭的拟二级动力学数据在表6中已给出,从中可以看出不同温度下吸附过程均符合拟二级动力学。

  吸附能的大小可反映出吸附过程中物理吸附和化学吸附的主次关系,根据阿仑尼乌斯方程可计算吸附能(。

  表6不同溶液温度下3种活性炭拟二级吸附动力学拟合常数Table温度(K)化学吸附发生时分子通常并未解离,吸附质分子接近吸附剂表面时首先进入物理吸附位阱,这时给它提供适当能量越过位垒吸附质分子就能进入化学吸附的位阱,因此物理吸附往往是化学吸附的准备阶段M.物理吸附和化学吸附间并没有明显的划分界限,根据阿仑尼乌斯吸附能(值人为大致划分为物理吸附和化学吸附。值小于5k/mol时为单纯物理吸附;Ea值介于5~40k/mol时物理吸附和化学吸附同时发生;Ea值介于40~800k/mol时为单纯化学吸附。对数据进行如的分析,计算得到3种活性炭对微量CBZ的吸附热Ea值均在25 ~40k/mol(表7)范围内,说明吸附过程同时发生化学吸附和物理吸附,且以化学吸附为主。

  发生化学吸附主要通过活性炭表面官能团起作用。高极性表面易于吸附高极性物质2,CBZ分子中含有苯环,它的化学吸附通过氢键以及n电子与表面正电荷基团的连接作用。在单纯水溶液中,与CBZ产生竞争吸附的主要物质是H2O,在活性炭表面存在一层水膜,活性炭与4之间的弱色散力和强氢键是影响活性炭吸附CBZ的主要原因。单纯就化学吸附而言,活性炭表面含氧基团(尤其是羧基)越丰富,与极性物质氏0的氢键作用越强。

  而YAC、XAC、MAC的羟基含量分别为1.02、0.90、0.69mmol/g,因此YAC对H2O的吸附作用强,CBZ取代H2O吸附到活性炭表面难度大。实验结果表明,YAC对CBZ分子的吸附作用好,这主要是因为在整个吸附过程中不仅发生了化学吸附,同时也发生物理吸附。影响物理吸附的因素包括活性炭比表面积及孔体积等因素,YAC具有发达的比表面积和微孔体积(表1),其物理吸附能力在3种活性炭中强,因此总体上体现为MAC、XAC、YAC对微量CBZ的吸附能力相近,YAC略好。

  温度对吸附作用的影响已在表6中给出,随着温度的升高CBZ的平衡吸附量逐渐减小。标准吉布斯自由能可用以下方程求出:其中:标准吉布斯自由能、焓变及熵变的关系可用范特霍夫方程表示,通过作可计算出3种活性炭吸附过程的焓变值和熵变值(表7)。

  活性炭吸附CBZ的范特霍夫方程曲线Fig.类型力起作用:种作用力与焓变有关,另种与熵变有关。范德华力、氢键等能够影响过程的焓变值,而液相中的熵值改变则主要是由于吸附质周围高度规整的水化膜消失而导致混乱度增加。△G表7活性炭吸附CBZ的热力学常数Table活性炭温度明吸附反应在该条件下能够自发进行,随着温度的升高,吉布斯自由能变化很小,说明该吸附过程受温度影响不大。总体上看3种活性炭的吉布斯自由能大小顺序为:YAC>XAC >MAC,即在常温常压条件下,YAC更易吸附CBZ,因此对CBZ的去除效果更好。

  不利于吸附的进行。

  AS>0,说明在外界条件不改变的情况下吸附不可逆,即CBZ分子倾向于吸附在活性炭表面。吸附过程中,分子从杂乱无章的排列变为在吸附剂表面的规则排列,混乱度减小,是熵减过程,而脱附过程则表现熵增。水相中活性炭表面原本存在高度规整的水化膜,因为CBZ分子尺寸远大于H2O,―个CBZ分子的吸附伴随着数量巨大的H2O脱附。总体上数量远大于CBZ分子的H2O脱附引起的熵增值大于CBZ分子吸附引起的熵减值,因此表现出熵值的增加。比较3种活性炭,YAC的熵值大,说明CBZ分子更易吸附在YAC表面。

  3结论市场上3种常见商品活性炭(MAC、XAC、YAC)对200网/L的CBZ均有很好的吸附效果,吸附10h达平衡后吸附量均在8. 3mg/g左右。吸附过程符合Langmuir吸附等温式,活性炭表面官能团成为其表面的特异性吸附位。3种活性炭的吸附过程均符合拟二级动力学,瞬时反应速率与该时刻溶液中CBZ浓度平方成正比,说明吸附过程主要受控于化学吸附,同时3种活性炭的吸附热Ea值分别为29.87、36.02和38.86k/mol,也表明吸附过程中物理、化学吸附同时存在,且以化学吸附为主,两种吸附综合作用使MAC、XAC、YAC对CBZ的吸附作用在总体上大致相同。另外AG<0说明吸附过程常温常压下自发进行,AH<0表明吸附过程放热,升温不利于吸附的进行,AS >0说明外界条件不变,吸附不可逆。

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