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CO2高温活化活性炭材料对苯酚的吸附行为研究

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赵瑞东等CO:高温活化活性炭材料对苯酚的吸附行为研究 CO2高温活化活性炭材料对苯酚的吸附行为研究* 赵瑞东 刘凤玲 郑寿荣 万海勤 许昭怡 (污染控制与资源化研究国家重点实验室,南京大学环境学院,江苏南京210093) 摘要 以CO:为活化气体,在高温条件下对国产椰壳活性炭进行活化。研究了活化前后的活性炭在不同温度和pH等条件下 对水溶液中苯酚的吸附行为。结果表明,活性炭经活化后,微孔体积和中孔体积增加,吸附容量明显提高;苯酚在活性炭上的吸附符 合Freundlich吸附等温方程和准二级反应动力学方程;在一定范围内降低温度有利于吸附的进行;在pH为2~8时,吸附效果较 好;在pH>9时,吸附效率明显降低。 关键词 活性炭C0z活化苯酚 吸附 Adsorption of phenol on C02。treated activated carbon ZHAO Ruidong,LIU Fengling,ZHENG Shourong,WAN Haiqin,XU Zhaoyi.(State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse,School of the Environment, Nanjing University,Nanjing Jiangsu 210093) Abstract: CO2一treated activated carbon from domestic coconut was prepared by calcination in high temperature at CO2 atmosphere,the adsorption capacity of raw activated carbon and CO2一treated activated carbon for phenol was investigated and compared.The results showed that the surface characteristics of activated carbon were significantly improved after CO2 activation,with the BET surface area increased from 627.22 m /g tO 822.71 m2/g,micropore volume and mesopore volume increased by 28.6 and 38.9 respectively.The Freundlich model can be used tO de— scribe the process of phenol adsorption on activated carbon and the adsorption data were well fitted by pseudo second order equation.The adsorption capacities,which increased with decreasing temperature,were perfect when the solu— tion pH was 2-8,when pH>9 the adsorption efficiency decreased gradually for the dissociated phenol was not con— ductive tO adsorption process. Keywords: activated carbon;CO2一treated;phenol;adsorption 煤气和石油炼制过程中产生酚类物质,排放的 CO的原理,通过CO。活化扩充孔道以提升活性炭的 废水、废气中含有酚类污染物。苯酚是工业废水中 吸附性能。研究了苯酚在活化前后的国产椰壳活性 常见有毒物质之一。长期饮用受苯酚污染的水可导 炭上吸附的吸附等温线和吸附动力学曲线,初步探 致慢性中毒,引起头痛、疲劳、贫血、失眠、耳鸣及神 讨了吸附机制,并考察了温度、pH等条件对吸附的 经系统病症。我国规定挥发酚在饮用水中小于 影响。 0.001 mg/L,在工业废水中小于0.500 mg/L,在地 面水中小于0.010 rng/L。含酚废水的处理一直是 1实验部分 水污染控制领域倍受关注的课题[1。]。 1.1 试剂和仪器 处理含酚废水的主要方法有生物法、高级氧化 苯酚、甲醇(均为分析纯);纯净水;国产椰壳活 法和吸附法等,其中吸附法是最常用的去除水中苯 性炭。 酚的方法之一。活性炭作为一种价格低廉、吸附性 Agilent 1200高效液相色谱仪;PHS一3C型pH 能优良的吸附剂,具有发达的内部孔道和巨大的比 计;AW 320岛津托盘电子分析天平;恒温摇床; 表面积。将活性炭用于吸附有机废水,处理效果显 ASAP 2010型比表面积和孑L结构测试仪(美国Mi— 著I5。]。为了获得高吸附性能的活性炭材料,研究人 crometrics公司)。 员通过多种方式对已有的活性炭进行表面改性和活 1.2活性炭材料活化 化[8删。本研究基于cO 在高温下与炭反应生成 将国产椰壳活性炭置于管式炉中,以5℃/min 第一作者:赵瑞东,男,1985年生,硕士,主要从事环境污染控制技术研究。 通讯作者。 *国家“973计划”课题(No.2008CB418003);国家自然科学基金资助项目(No.40402022、No.20877039);江苏省六大人才高峰项目及国 家科技支撑计划项目(No.2006BAC02A15)。 ・ 33 ・ 环境污染与防治第32卷第10期2010年1O月 的速率程序升温至900℃后,切换至CO 气氛活化 4 h。之后,在N。保护下降至室温,得到活化后的活 性炭。 3.5 3.O 2.5 1.3材料表征 ∞2,0 活性炭的孑L结构参数由N2吸附/脱附实验得到。 1.5 1.4吸附等温线测定 1.0 配制40 mL质量浓度为2~100 mg/L的苯酚溶 液(初始pH为7),加入0.01 g活性炭,分别在25、 35、45℃下恒温振荡24 h。用孔径为0.22 m的醋 , 0.5 0 酸纤维素滤膜过滤后,采用Agilent 1200高效液相 色谱仪测定滤液中苯酚浓度。柱温为3O℃,流动相 为水:乙腈=40:60(体积比),流速为1 mL/min,检 测器波长为270 nm。由式(1)计算得到平衡吸附量。 Qe-- 二 (1) lII 式中: 为平衡吸附量,mg/g;C。为溶液中苯酚的 初始质量浓度,mg/L;C。为溶液中苯酚的平衡质量 浓度,mg/L;V为溶液体积,I ;m为吸附剂质量,g。 1.5 吸附动力学研究 分别称取活化前后的活性炭各0.12 g置于500 mL广日瓶中,加人500 mL质量浓度为100 mg/L 的苯酚溶液,25℃条件下,在磁力搅拌下开始计时, 在特定的时间间隔取样,测定苯酚浓度,计算不同时 刻活性炭对苯酚的吸附量,见式(2)。 q,--—(1O0--c,)V (2) —式中:Q为时刻活性炭对苯酚的吸附量,mg/g;C 为 t时刻溶液中苯酚的质量浓度,mg/L。 2结果与讨论 2.1 材料表征 图1是活性炭活化前后微孔孔径分布。活化前 后活性炭的BET比表面积(S )和孔结构参数见 表1。由图1、表1可知,国产椰壳活性炭经CO 高 温活化后,微孔孔道窄化,孔体积增加。微孔体积由 o.21 cm。/g增加到o.27 CITI。/g,中孔体积由0.18 cm。/g增加到0.25 cm。/g。与之相应地,SBE 亦呈现 较大增加,从627.22 m /g增加到822.71 m /g。 2.2吸附等温线 苯酚在活化前后活性炭上的吸附等温线见图 2。采用Freundlich吸附等温方程描述其吸附过程, 见式(3)。 1 lnQ 一InK+二lnf (3) ・ 34 ・ —0.5 0.4 0.6 0.8 l_0 1.2 1,4 1.6 1.8 2.0 孔径/nm 图1 活性炭活化前后微孔孔径分布 Fig.1 Size distribution of micropore of activated carbon before and after activation 表1 活化前后活性炭的S一和孔结构参数 Table 1 The structural parameters of activated carbon before and after activation 活性炭 SBET 孔体积 微孔体积 中孔体积 样品 /(m ・g )/(cm。・g一 )/(cm。・g~ )/(era。・g一 ) 20o l60 120 80 40 0 0 lU 20 30 40 5U 60 70 80 cJ(mg・L-I) 图2 25℃下苯酚在活化前后活性炭上的吸附等温线 Fig.2 Adsorption isotherm of phenol on activated carbon before and after activation at 25℃ 式中:K和 分别为Freundlich常数,其中K反映 吸附量的大小, 为与温度、体系有关的常数, >1 时为优惠吸附。 采用Freundlich吸附等温方程对吸附等温线进 行拟合,参数见表2。图2显示活性炭经CO。高温活 化后吸附性能有明显提高,这也为活化后活性炭较 大的K和 所证实。苯酚分子较小[1 ,适合在微孔 孔道被吸附。因此,可以推测,吸附剂材料的微孑L结 构越发达,对苯酚的吸附效果越好,而中孔孑L道的作 用主要是提供小分子吸附质进入微孔的通道。活性 炭经CO 高温活化后,微孔体积增加28.6 ,中孔 体积增加38.9 ,因此吸附效果较活化前有较大幅 度提升。 赵瑞东等Co2高温活化活性炭材料对苯酚的吸附行为研究 表2 25℃下苯酚在活化前后活性炭上的 Freundlich吸附等温方程及其参数 Table 2 The Freundlich isotherm equation parameters of 减小。计算得出的平衡吸附量(Q (ca1))与实测的 平衡吸附量(Q (exp))吻合较好,说明准二级反应动 力学方程适于描述苯酚在活性炭上的吸附过程。 2.4温度的影响 phenol on activated carbon before and after activation at 25℃ 为进一步考察CO 高温活化活性炭的吸附性 能,研究了该吸附材料在不同温度下对苯酚的吸附, 结果见图4。由图4可知,在本研究考察的温度范 2.3吸附动力学 围内,活化后活性炭对苯酚的吸附量随温度升高而 图3为25℃下活性炭吸附苯酚的动力学曲线。 随着吸附过程进行,水溶液中的苯酚浓度逐渐降低。 为了更明确地定量比较活性炭活化前后吸附速率的 差异,用准二级反应动力学方程对试验数据进行拟 合,见式(4)。 Qt 是一志+麦 。Q 。Q (… 4) 式中:t为吸附时间,min;k 为准二级反应动力学常 数,g/(mg・h)。 140 l2。 10o 80 6o 40 2。 0 0 4OO 800 l 200 l 600 drain 图3 25℃下苯酚在活化前后活性炭上的吸附动力学曲线 Fig.3 Adsorption kinetic curve of phenol on activated carbon before and after activation at 25℃ 拟合结果显示,活性炭对苯酚的吸附符合准二 级反应动力学方程,拟合参数见表3。由表3可知, 活性炭经CO 高温活化后,对苯酚的准二级反应动 力学常数由3.83×10 g/(mg・h)增大到4.16× 10 g/(mg・h)。结合结构表征结果,活化后活性 炭的吸附速率升高可能归因于该材料的中孔体积增 加,从而导致苯酚分子在向微孔区扩散时传质阻力 表3 25℃下苯酚在活化前后活性炭上吸附的 准二级反应动力学方程拟合结果 Table 3 Pseudo second order equation for phenol adsorption on activated carbon before and after activation at 25℃ 略有降低。在35、45℃时,活性炭对苯酚的吸附同 样符合Freundlich吸附等温方程,K和n随温度的 升高而逐渐减小(见表4),表明在一定范围内降低 温度有利于苯酚在活化后活性炭上吸附。 200 160 120 80 加 0 0 l0 20 30 40 50 6o 70 G/(mg・L ) 图4不同温度下苯酚在活化后活性炭上的吸附等温线 Fig.4 Adsorption isotherm of phenol adsorption on C02一treated activated carbon at different temperature 表4不同温度下苯酚在活化后活性炭上的Freundlich 吸附等温方程及其参数 Table 4 The Freundlich isotherm parameters for phenol adsorption on C0,一treated activated carbon at different temperature 2.5 pH的影响 图5为25℃时pH对苯酚在活化前后活性炭 上吸附的影响。结果表明,在pH为2~8时,苯酚 吸附效果较好;在pH>9时,吸附效率明显降低。 苯酚的电离常数(pKa)约为9.9,因此在pH<9.9 时,苯酚主要以分子态存在;在pH>9.9时,苯酚主 要以离子态存在。活性炭属于非极性吸附剂,当水 溶液中苯酚等吸附质以离子态存在时,其与极性溶 剂水分子的亲和力较大,不利于吸附。反之,当苯酚 以分子态存在时,将有利于其在活性炭上吸附。 ・ 35 。 环境污染与防治第32卷第10期2010年10月 l60 120 8o 40 0 pH 图5 pH对活化前后活性炭吸附苯酚的影响(25℃J Fig.5 The effect of pH on the adsorption of phenol on CO2一treated activated carbon 3 结 论 (1)活性炭经CO 高温活化后,微孑L体积和中 孔体积增加,对苯酚的吸附性能显著提高。因此,本 研究为简便、高效地提高商业活性炭的吸附性能提 供了有益的尝试。 (2)活性炭对苯酚的吸附符合Freundlich吸附 等温方程及准二级反应动力学方程。 (3)活化后活性炭对苯酚的吸附量随温度升高 而略有降低。在pH为2~8时,吸附效果较好;在 pH>9时,吸附效率明显降低。 (Ok谢:感谢南京大学大型贵重仪器设备开放测 试基金资助。) 参考文献: [1] 林永波,张宁.包埋碳纳米管海藻酸钠凝胶球吸附苯酚的研究 [J].环境工程学报,2009,3(2):289—292. 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