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【知识】去除水溶液中的铅(II)离子到废弃生物质产生的活性炭上

发布日期:2018-11-06 15:24 来源:活性炭网 作者:活性炭网 浏览数:

抽象 使用由废生物质制备的活性炭从水溶液中除去铅(II)离子。 研究了各种参数如pH,接触时间,铅(II)离子初始浓度和温度对吸附过程的影响。 吸附后的能量色散X射线光谱(ED

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1.简介

由于环境问题,使用各种吸附剂从水溶液中除去重金属离子是非常令人感兴趣的。研磨出的蛋壳废物被发现是一种有效的吸附剂,用于从水溶液中去除阴离子染料[ 1 ]。已经研究了使用柑橘类水果,苹果和葡萄去除镉[ 2 ]。据报道,柑橘皮具有很高的吸附能力[ 2 ]。活性炭被广泛地用于从水溶液[去除重金属离子的3 - 5 ]。Johns等人报道了由农业副产物制备颗粒活性炭(GAC)及其在吸附实验中的用途。3]。结论是,农业副产品生产的GAC在吸附能力方面比商业GAC更有效[ 3 ]。已经使用活性炭和离子交换树脂(Amberlite GT73)测试了从废水中去除有机汞[ 5 ]。据报道,活性炭显示出比离子交换树脂更高的吸附能力[ 5 ]。

可以理解的是,寻找生产活性炭的低成本材料是一项巨大的努力。在本文中,我们描述了我们通过使用由化学活化的大豆油饼产生的活性炭从水溶液中去除铅(II)离子的努力。使用农业副产品大豆油饼来制备活性炭。通过pH,接触时间,铅(II)离子浓度和温度参数的变化研究了铅(II)离子在活性炭上的吸附。还研究了铅(II)吸附到活性炭上的动力学模型。

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2.实验

2.1。物料

生物质(大豆油饼)得自土耳其伊兹密尔的Altinyag Oil Company。样品含有17.86wt%的提取物,52.51wt%的半纤维素,2.80wt%的木质素和21.58wt%的纤维素。大豆油饼的元素分析如下:44.48wt%C,6.28wt%H,8.21wt%N,0.54wt%S,40.49wt%O(差异)和5.83wt%灰分含量。本研究中使用的所有化学品均为分析级。

2.2。活性炭的制备

通过K 2 CO 3活化以1.0的浸渍比从大豆油饼制备活性炭将K 2 CO 3与大豆油饼混合过夜,使得试剂完全被生物质吸收。然后将浆液在105℃下干燥。将浸渍材料放入反应器中,然后在1073.15K下化。活性炭制备的实验细节可以在先前的报告中找到[ 6 ]。发现活性炭的产率为11.56wt%。活性炭,指定为SAC2,筛分,颗粒<63  μm尺寸并用于实验。使用表面分析仪(Quantachrome Inst。,Nova 2200e)通过N 2吸附(在77K)测量由大豆油饼通过K 2 CO 3化学活化产生的活性炭的比表面积通过使用Malvern Zetasizer Nanoseries测量SAC2的表面电荷分布作为pH的函数。使用LECO CHNS 932元素分析仪测定活性炭的元素组成。活性炭的物理化学性质如下:81.03wt%C,0.53wt%H,0.06wt%N,0.05wt%S,18.33wt%O(差异); 0.98%(重量)的灰分含量,1352.86米2  克-1的比表面积,0.680厘米3 g -1总孔体积,0.400cm 3  g -1微孔体积和10.05平均孔径。

2.3。吸附实验

吸附实验在分批系统中进行。将一定量的SAC2加入到用玻璃塞封闭的Erlenmeyer烧瓶中的硝酸铅(II)溶液中,并使用磁力搅拌器以200rpm搅拌烧瓶内容物以确定pH的最佳值,铅的初始浓度(II)离子。

含有1000mg L -1的铅(II)离子的储备溶液用于吸附实验。使用去离子水稀释所需的铅(II)浓度。在250mL塞锥形烧瓶中加入100mL含有50mg吸附剂的铅(II)溶液,在水浴中以200rpm搅拌,其温度控制在所需温度(298.15,308.15和318.15K)。通过原子吸收光谱法(Perkin Elmer A. Analyst 800 Model)测定溶液中的铅(II)离子浓度。平衡时吸附剂上的铅(II)离子的量由铅(II)溶液的初始浓度和最终浓度之间的差异确定。

吸附铅(II)离子后的SAC2在烘箱中在50℃下真空干燥24小时,然后通过场发射扫描电子显微镜(SEM,Carl Zeiss Ultra Plus)表征吸附了SAC2的铅(II)离子。配备能量分散X射线分光光度计(EDS)分析。

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3。结果与讨论

3.1。pH值的影响

在300 mg L -1初始铅(II)离子浓度和298.15 K下研究了pH对SAC2的铅(II)离子吸附能力的影响。溶液的pH值是吸附中起重要作用的因素。处理。由于铅(II)离子在pH值高于6.7 [ 15 ]时以氢氧化铅(II)形式沉淀,因此在该pH值以上不进行吸附实验。碳的两性性质已经影响了表面的官能团和零电荷的活性炭(pHPZC)的点1617 ]。在pH> pHPZC时有利于阳离子吸附,并且在pH <pHPZC下有利于阴离子吸附。关于溶液pH的Seta2的Zeta电位和吸附容量在图中示出分别如图1(a)1(b)所示。从图中可以看出,当溶液pH低于pH6,1时,SAC2的pHPZC为6.1,表面带正电。当pH从2增加到6时,SAC2的表面电荷的量减小。在低pH值(小于3)的活性炭表面上的正电荷密度增加被阻止接近金属阳离子。相反,当pH值增加时,铅(II)离子之间的静电排斥减少,并且SAC2的表面变得带正电荷较少,并且SAC2的吸附能力增加。在pH6.0下发现最大吸附容量为244.9mg g -1

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图1

(a)SAC2的Zeta电位随pH的变化,(b)pH对吸附铅(II)离子到活性炭(SAC2)上的影响。o= 300mg L -1 ; m = 50mg; V = 100mL; T = 25℃;搅拌速率200rpm)。

3.2。接触时间的影响

在铅(II)离子(300 mg L -1的初始浓度和298.15,308.15 和318.15 K的温度下,进行了一系列吸附铅(II)离子到SAC2上的接触时间实验。接触时间对吸附过程的影响如图2所示随着接触时间的增加,铅(II)离子的吸附量增加至100分钟,此后铅(II)离子对SAC2的吸附没有显着增加。在接触时间为60分钟时,铅(II)离子在SAC2上的吸附量分别为221.9,232.6和240.2mg g -1,分别为298.15,308.15和318.15K 

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图2

接触时间对铅(II)离子吸附到活性炭(SAC2)上的影响。o = 300mg L -1 ; m = 50mg; V = 100mL; pH = 5.5;搅拌速率200rpm)。

3.3。初始铅(II)离子浓度的影响

随着初始铅(II)离子浓度的增加,SAC2对铅(II)离子的吸附能力增加。铅(II)离子初始浓度的增加导致质量从水相转移到固相。在初始铅(II)离子浓度为500mg L -1时获得最大吸附容量吸附后的SAC2的SEM图像和X射线光谱可以在图3中看到在属于铅的光谱上存在峰清楚地证明了铅(II)离子在SAC2上的积累。

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图3

吸附铅(II)后SAC2的SEM图像和EDS光谱。

3.4。吸附动力学

为了研究铅(II)离子在SAC2上的吸附过程,将伪一级动力学[ 18 ],伪二级动力学[ 19 ]和粒子内扩散模型[ 20 ]应用于实验数据。

伪一级动力学模型方程如图所示

ln??(1  -  )=ln?? 1  -  , 
(1)

其中1t分别是在平衡时和时间t吸收的铅(II)离子(mg g -1)的量,并且1是一级速率常数(min -1)。

伪二阶动力学模型如图所示

?q?1?2q221q2
(2)

其中2假二级吸附的最大吸附容量(mg g -1),2假二级吸附的平衡速率常数(g mg -1  min -1)。

粒内扩散可以通过以下等式表示:

t =  p t 1/2 +  C, 
(3)

其中C是截距,p是颗粒内扩散速率常数(mg g -1  min -1/2)。

用于将铅(II)离子吸附到SAC2上的伪一级(未示出),伪二级和粒子内扩散(未示出)的线性形式的曲线图在298.15,308.15的温度下获得。 ,和318.15K。动力学参数的结果如表1所示伪二级动力学模型(2的相关系数值高于伪一级动力学模型2p 2的值。粒子内扩散模型。这表明,对于所有测试温度,铅(II)离子的吸附遵循伪二级动力学,相关系数高于0.99。图4给出了不同温度下吸附过程t / tt关系曲线。随着温度的升高,伪一级动力学模型的相关系数值降低。

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图4

用于将铅(II)离子吸附到活性炭(SAC2)上的伪二级动力学图。

表格1

吸附铅(II)离子到活性炭(SAC2)上的动力学参数。

温度(K) 298.15 308.15 318.15
伪一阶
  1(min -1 0.023 0.020 0.017
  1(mg g -1 73.55 79.84 92.29
  2 0.980 0.928 0.921
伪二阶
  2(g mg -1  min -1 11.6×10 -4 10.96×10 -4 9.26×10 -4
  2(mg g -1 238.1 250.0 263.2
  [R 2 0.9995 0.9993 0.9994
粒内扩散
  p(mg g min -1/2 8.7429 9.9775 11.319
  C 153.74 152.85 154.53
  p 2 0.9390 0.8791 0.8659

3.5。吸附热力学

由吉布斯自由能变化(ΔG °),焓变(ΔH °)和熵变(ΔS °)组成的热力学参数由以下等式计算:

Δ ° = - [R ? ln?? 大号, 
(4)

其中R是通用气体常数(8.314 J mol -1  K -1),T是温度(K),L值使用下式计算:

?大号qËCË
(5)

其中ee分别是铅(II)离子在活性炭(mg g -1)和溶液(mg L -1中的平衡浓度

吸附的焓变(ΔH °)和熵变(ΔS °)由下式估算:

LN?大号Δ 小号°[RΔ ?°T.
(6)

 

焓变(ΔH °)和熵变(ΔS °)可以从(ΔG °)的Van't Hoff方程的斜率和截距获得如下:

Δ ° =Δ °  -  ? Δ š °, 
(7)

其中ΔG °是吉布斯自由能变化(J),R是通用气体常数(8.314 J mol -1  K -1),T是绝对温度(K)。

热力学参数列于表2中吉布斯自由能变化(ΔG °)是吸附过程中自发程度的指标。为了提供更好的吸附,必须具有吉布斯自由能变化的负值(ΔG °)。298.73,308.73和318.73K 的温度下,铅(II)离子吸附的吉布斯自由能变化值(ΔG °)分别测定为0.74,-0.99和-1.40kJ mol -1这些值表明在这些条件下吸附过程是自发的和可行的。ΔG的值在较高温度下的°比在较低温度下的温度更负。这意味着高效吸附发生在高温下[ 21 ]。ln??的情节大号对1 / ?用于铅的吸附热力学参数的估计(II)离子在上示出SAC2 图5ΔS ° 的正值反映了吸附剂表面的自由度的增加。文献报道了类似的观察结果[ 22 ]。Δ的正值? °为铅的吸附(II)到SAC2暗示处理的吸热性质。

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图5

ln??的情节大号对1 / ?用于铅的吸附(II)的热力学参数的估计离子在活性炭上(SAC2)。

表2

由Langmuir等温线常数L计算的热力学参数和由假二级速率方程2计算的活化能,用于吸附铅(II)离子到活性炭(SAC2)上。

T(K) a  
(kJ mol -1
Δ ? °  
(千焦耳摩尔-1
Δ ? °  
(千焦摩尔-1
Δ 小号 °  
(j? -1  摩尔-1
298.15 -0.74
308.15 9.02 -0.99 9.46 34.15
318.15 -1.40

ln??的情节2对1 / ?为活化能的估计铅的吸附(II)离子到SAC2示于图6发现活化能为308.23K时为9.02kJ mol -1

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图6

ln??的情节2对1 / ?为活化能的估计铅(II)的吸附离子在活性炭上(SAC2)。

3.6。吸附等温线

的吸附数据与使用Langmuir和Freundlich等温线[分析的2324 ]。

Langmuir等温线:

CËqË1q最大?大号C.Ëq最大
(8)

其中Ë被平衡铅(II)离子在活性炭上的浓度(mg克-1),Ç Ë是平衡铅(II)离子的溶液(毫克的L浓度-1),max?是单层活性炭的吸附容量(mg g -1),L是朗缪尔吸附常数(L mg -1)。

Freundlich等温线:

日志qË日志?F1ñ日志CË
(9)

其中e是活性炭上的平衡铅(II)离子浓度(mg g -1),e是溶液中的平衡铅(II)离子浓度(mg L -1)和F(L g)-1)和n是Freundlich吸附等温线常数。log??的曲线ë与log?? Ç Ë为铅的吸附(II)离子在活性炭上示于图7Langmuir和Freundlich等温线参数在表3中给出[R 2Freundlich模型的值高于Langmuir模型的值。这表明Freundlich模型比Langmuir模型更适合。Freundlich等温线模型表明异质表面[ 25 ]。一种用于铅比较(II)从各种木质纤维素材料生产活性炭的离子吸附容量在表列表4 [ 37 - 14 ]。SAC2从朗缪尔等温线为铅(II)离子的最大单层吸附能力被发现是最高与文献[比较37 - 14 ]。

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图7

Freundlich用于在298.15K下将铅(II)离子吸附到活性炭(SAC2)上。

表3

吸附等温线常数用于将铅(II)离子吸附到298.15K的活性炭(SAC2)上。

朗缪尔
最大值(毫克克-1 476.19
L(L mg -1 2.201
L. 0.419
L 2 0.9413

符合Freundlich

ñ 1.586
F(L g -1 7.381
F 2 0.9624

表4

从各种木质纤维素材料获得的活性炭对铅(II)离子的吸附能力的比较。

生物质能 pH值 T(K) 运行条件
初始浓度或范围
(mg L -1
吸附剂量
(g L -1
吸附容量
(mg g -1
杏石[ 7 ] 6.5 298.15 - 2.0 22.85
大豆皮[ 3 ] 5 296.15 518 10.0 39.37
山核桃壳[ 8 ] 4.8 - 104 0.5-10.0 64.2
椰子壳[ 9 ] 5.6 298.15 - 2.0 76.66
棕榈壳[ 10 ] 3.0和5.0 300.15 100-700 5 95.20
锯末[ 11 ] 5 300.15 50-1000 2.0 200.00
蔗渣髓[ 12 ] 4.0-8.0 303.15 100 - 200.00
椰壳鱼废物[ 13 ] 4 - 25-100 - 263.00
大戟属植物[ 14 ] 5 313.15 50-200 0.8 279.72
豆油饼* 5.5 298.15 50-500 0.5 476.2

*目前的学习。

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4。结论

通过大豆油饼生产的活性炭从水溶液中去除重金属离子已成功进行。主要结论如下。

  1. 铅(II)离子的吸附容量随着铅(II)离子初始浓度的增加而增加。
  2. 在所有测试温度下,该过程的动力学模型遵循伪二级动力学模型。
  3. 吸附过程符合Freundlich模型。
  4. 活性炭的最大单层吸附容量为476.2mg g -1,与文献中的值相比非常高。

 

因此,从经济和环境方面考虑,将来自植物油工业的副产物转化为活性炭及其从水溶液中吸附铅(II)离子的用途是非常重要的。


(责任编辑:活性炭网)
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