柚皮基活性炭制備及吸附應(yīng)用機理研究.pdf

1、活性炭一般具有孔隙發(fā)達、比表面積大、表面官能團豐富和活性高等特點,是水處理中應(yīng)用非常廣泛的吸附劑。國內(nèi)外開展了大量有關(guān)活性炭制備及其用于含重金屬廢水、印染廢水等處理的研究。然而,采用煤炭和其他不可再生資源制備活性炭成本很高。為了尋找制備活性炭原料的新來源,不少學(xué)者把目光投向來源廣泛、再生性強以及無二次污染的農(nóng)業(yè)廢棄物。柚子是我國主要水果之一,在南方許多地區(qū)大量種植。通常柚皮未被利用就直接丟棄。目前有關(guān)以柚皮為原料采用氯化鋅活化法制備活性

2、炭,并進行污水處理的研究尚未見報道。本文以柚皮為原料,采用氯化鋅活化法制備柚皮基活性炭,并針對不同典型污染物進行了吸附處理研究。通過紅外光譜、X射線衍射、掃描電子顯微鏡等分析方法和吸附動力學(xué)、熱力學(xué)等理論,系統(tǒng)研究了柚皮基活性炭物理化學(xué)性質(zhì),以及吸附廢水中氨氮、磷、堿性染料亞甲藍、酸性染料剛果紅和六價鉻的機理,并討論了pH、溫度和吸附時間等因素對吸附容量的影響。主要研究結(jié)論:
　　(1)利用農(nóng)業(yè)廢棄物柚子皮為活性炭原料,采用ZnC

3、l2活化法制備柚皮基活性炭,設(shè)計正交試驗確定最佳制備工藝條件: ZnCl2溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)20％,液料質(zhì)量比為3.0∶1,活化溫度和時間分別為500℃、80min。所得柚皮基活性炭得率為35.36%,碘吸附值為851mg/g。其 BET比表面積為1045m2/g,孔容積為7.471cm3/g,孔平均直徑為1.430nm。紅外光譜分析結(jié)果說明,柚皮基活性炭表面主要存在羥基、羧基、胺基和吡喃酮等官能團。樣品的零電點為5.67。
　　(2)

4、利用柚皮基活性炭處理含 Cr(VI)廢水。研究結(jié)果表明,吸附時間12h達到吸附平衡,在 pH等于1.0時,吸附效果最好。Temkin和Langmuir模型可以很好地描述Cr(VI)吸附過程;Langmuir單分子層飽和吸附量達到145.47mg/g。根據(jù)Dubinin–Radushkevich模型計算的吸附自由能為9.93、17.72和20.82 kJ/mol,Cr(VI)吸附以化學(xué)吸附為主。準(zhǔn)二級動力學(xué)模型能很好地擬合柚皮基活性炭吸附

5、 Cr(VI)的動力學(xué)實驗數(shù)據(jù)。顆粒內(nèi)擴散模型和Boyd模型研究表明,膜擴散系數(shù)和孔擴散系數(shù)均值分別為3.72×10-13 cm2/s和5.99×10-12 cm2/s,吸附過程由膜擴散和顆粒內(nèi)擴散共同控制,膜擴散為主控步驟。柚皮基活性炭吸附Cr(VI)的ΔG在-0.32 kJ/mol和-20.06 kJ/mol之間,ΔH在39.85 kJ/mol和342.93 kJ/mol之間,ΔS在134.91 kJ/(mol·K)和829.51

6、kJ/(mol·K)之間,說明吸附是一個自發(fā)吸熱熵增過程。吸附機理主要涉及幾方面作用:活性炭表面帶電基團(羥基、羧基和胺基)通過靜電引力吸附Cr(VI)離子;吸附的Cr(VI)離子在強酸條件下還原為三價鉻,一部分進入溶液系統(tǒng),一部分與炭基質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成螯合物。
　　(3)利用柚皮基活性炭處理含堿性染料亞甲藍(MB)廢水。吸附初期吸附速率很快,2h后吸附基本平衡。pH2.0~10.0范圍吸附量無明顯變化。Temkin和Langmui

7、r模型可以很好地描述MB吸附過程,Langmuir單分子層最大飽和吸附量達到234.26mg/g。根據(jù)Dubinin–Radushkevich模型計算吸附自由能均值為18.53kJ/mol,MB吸附以化學(xué)吸附為主。準(zhǔn)二級動力學(xué)模型能夠很好地描述柚皮基活性炭吸附 MB的動力學(xué)實驗數(shù)據(jù)。顆粒內(nèi)擴散模型和Boyd模型分析表明,膜擴散系數(shù)和孔擴散系數(shù)均值分別為2.85×10-12 cm2/s和2.30×10-10 cm2/s,吸附過程受膜擴散和

8、顆粒內(nèi)擴散影響,其中膜擴散為主控步驟。柚皮基活性炭吸附MB的ΔG在-19.44 kJ/mol和-24.77 kJ/mol之間,ΔH在64.63 kJ/mol和67.50 kJ/mol之間,ΔS在276.65 kJ/(mol·K)和277.98 kJ/(mol·K)之間,吸附是一個自發(fā)吸熱過程。吸附機理包括靜電相互作用、氫鍵作用和電子供體受體作用。
　　(4)利用柚皮基活性炭處理含酸性染料剛果紅(CR)廢水。吸附2h后反應(yīng)基本平衡,

9、pH3.0~10.0范圍吸附量無明顯變化。Freundlich模型可以很好地描述CR吸附過程;利用Dubinin–Radushkevich模型計算吸附自由能的平均值為12.73kJ/mol,反應(yīng)過程以化學(xué)離子交換吸附為主。準(zhǔn)二級動力學(xué)和Elovich模型能夠很好地用于描述柚皮基活性炭吸附CR過程。顆粒內(nèi)擴散模型分析表明:膜擴散系數(shù)和孔擴散系數(shù)均值分別為3.72×10-13 cm2/s和5.99×10-12 cm2/s,吸附過程由膜擴散和

10、顆粒內(nèi)擴散聯(lián)合控制,其中膜擴散為主控步驟。實驗條件下,柚皮基活性炭吸附 CR的ΔG在-3.72 kJ/mol和-15.17 kJ/mol之間,ΔH在45.35 kJ/mol和49.54 kJ/mol之間,ΔS在154.00 kJ/(mol·K)和166.05 kJ/(mol·K)之間,反應(yīng)屬于自發(fā)吸熱過程。柚皮基活性炭吸附 CR時,靜電引力和氫鍵作用為吸附過程主要作用力。
　　(5)利用柚皮基活性炭處理含氨氮廢水。吸附5h后反應(yīng)基

11、本平衡。Freundlich和Temkin模型可以很好地描述氨氮吸附過程;準(zhǔn)二級動力學(xué)和Elovich模型描述柚皮基活性炭吸附氨氮的動力學(xué)實驗數(shù)據(jù)達到顯著相關(guān)。利用Dubinin–Radushkevich模型計算吸附自由能的平均值為9.19kJ/mol,吸附過程以化學(xué)離子交換吸附為主。顆粒內(nèi)擴散模型和Boyd模型分析表明:柚皮基活性炭吸附氨氮的膜擴散系數(shù)和孔擴散系數(shù)均值分別為6.65×10-13和1.15×10-11 cm2/s,吸附過

12、程由膜擴散和顆粒內(nèi)擴散聯(lián)合控制,其中膜擴散為限速步驟。實驗條件下,柚皮基活性炭吸附氨氮的ΔG在-4.26 kJ/mol和-4.73 kJ/mol之間,ΔH在1.48 kJ/mol和2.58 kJ/mol之間,ΔS在19.74 kJ/(mol·K)和23.29 kJ/(mol·K)之間,吸附為自發(fā)吸熱過程。柚皮基活性炭吸附氨氮時,靜電引力和范德華力作用為吸附過程主要作用力。
　　(6)利用柚皮基活性炭處理含磷廢水。吸附3h后反應(yīng)基本

13、平衡。Freundlich和Dubinin–Radushkevich模型都可以反映柚皮基活性炭吸附磷特征,磷吸附屬于多分子層吸附。準(zhǔn)二級動力學(xué)和Elovich模型能很好地描述柚皮基活性炭對磷的吸附動力學(xué)過程。吸附自由能的平均值為8.43kJ/mol,吸附過程以化學(xué)離子交換吸附為主。顆粒內(nèi)擴散模型和Boyd模型分析表明,膜擴散系數(shù)和孔擴散系數(shù)的平均值分別為5.16×10-13 cm2/s和5.03×10-12 cm2/s,吸附過程主要受膜