張光輝 張拴 孟慶華

摘 ?????要：對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)-活性炭吸附醋酸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，探索影響實(shí)驗(yàn)因素，利用Design-expert8.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化。利用單因素實(shí)驗(yàn)考察溫度、活性炭粒度大小、吸附時(shí)間、活化時(shí)間對(duì)吸附量的影響，考察改進(jìn)前后的對(duì)比，確定最佳實(shí)驗(yàn)條件。溫度升高，吸附能降低，攪拌效果比振蕩效果更好，粒度越小，吸附能力越強(qiáng)，但是粒度過(guò)小，過(guò)濾速度慢，最終確定粒度大小40～60目、攪拌60 min吸附趨于平衡，80 ℃活化時(shí)間控制在120 min以上，實(shí)驗(yàn)效果最佳。 此實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，值得在全院范圍內(nèi)進(jìn)行推廣。

關(guān) ?鍵 ?詞：活性炭;醋酸;溫度;粒度大小;吸附時(shí)間;活化時(shí)間

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ016.1 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)：1671-0460（2019）03-0484-04

Abstract： In order to improve the experiment of physical chemistry experiment-the adsorption of acetic acid on activated carbon， the influencing factors were explored， and the experimental conditions were optimized by using the software of Design-exchange 8.0. At first， the effect of temperature， particle size， adsorption time and activation time on the adsorption was investigated by single factor experiments. The results showed that， the temperature increased， the adsorption energy decreased， and the mixing effect was better than that of the oscillation. The smaller the particle size， the stronger the adsorption ability， but the smaller the particle size， the slower the filtration speed， and the suitable size of the particle was 40～60 and suitable stirring time was 60 min. When the activation time at 80 °C was above 120 min， the experimental effect was the best. The improved experiment is simple， simple and accurate， and is worth popularizing.

Key words： Activated carbon;Acetic acid;Temperature;Particle size;Adsorption time;Activation time

固液界面吸附是藥學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)物理化學(xué)課程常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一，其分為分子吸附和離子吸附[1-3]。分子吸附就是非電解質(zhì)及弱電解質(zhì)中的吸附，而離子吸附是指強(qiáng)電介質(zhì)溶液中的吸附。通常，把被吸附的物質(zhì)稱(chēng)為吸附質(zhì)，把具有吸附作用的物質(zhì)稱(chēng)為吸附劑。充當(dāng)吸附劑的物質(zhì)一般都是多孔性的，具有較大的比表面吉布斯函數(shù)[3]。固液界面吸附比較復(fù)雜，影響因素也比較多。常見(jiàn)的吸附等溫式包括朗格茂吸附等溫式、弗勞因特立希等溫式（Freundlich），BET吸附等溫式[4-7]。中醫(yī)藥院?，F(xiàn)行物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材關(guān)于吸附實(shí)驗(yàn)多為活性炭在醋酸溶液中的吸附。實(shí)驗(yàn)采用活性炭吸附醋酸溶液中的醋酸，即在一定溫度下，根據(jù)弗勞因特立希吸附等溫式，研究活性炭在中等醋酸溶液中的吸附情況，通過(guò)測(cè)定一定量吸附劑在一定濃度醋酸溶液中吸附前濃度和吸附平衡濃度，計(jì)算單位質(zhì)量的吸附量x/m，以lgx/m對(duì)lgc作圖，得到一條直線，利用直線的斜率和截距分別可以求出k和n的值[4]（k和n是與吸附質(zhì)、吸附劑及溫度有關(guān)的常數(shù)），進(jìn)而得到吸附等溫式（1）。

根據(jù)多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行教材內(nèi)容在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未考慮溫度的波動(dòng)、活性炭的粒度大小[8-10]對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，同時(shí)活性炭在空氣中也會(huì)吸附氣體分子，導(dǎo)致吸附能力降低，活化時(shí)間長(zhǎng)短也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且吸附需要一定的時(shí)間[11]，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果很不理想。在教學(xué)改革中，團(tuán)隊(duì)在2013-

2015三年間，對(duì)藥物制劑班此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了改進(jìn)，將以前的常溫振蕩改為恒溫水浴磁力攪拌，并且考察了活性炭粒度大小、吸附時(shí)間、活化時(shí)間，并且通過(guò)對(duì)比比較了攪拌和振蕩效率，利用平衡吸附量來(lái)衡量實(shí)驗(yàn)效果，并采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了優(yōu)化，最終達(dá)到了較好的效果，2016年已在我院藥物制劑、制藥工程、中藥學(xué)、中藥資源與開(kāi)發(fā)等專(zhuān)業(yè)全面推廣，達(dá)到了良好的效果，并且因此獲得學(xué)校教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。

1 ?實(shí)驗(yàn)材料

恒溫磁力攪拌器HJ-3A（成都鑫眾通科技有限公司）;KS-振蕩器（常州市國(guó)旺儀器制造有限公司）;活性炭（不同批次）;SHZ-D（III）循環(huán)水式真空泵（上海凌科實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司）;電子天平PractumXXX-1CN（天津市祥曦科技有限公司）;酚酞（AR）;醋酸（AR）;NaOH （AR）。

2 ?方法與結(jié)果

我院物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)活性炭對(duì)在醋酸溶液中的吸附，沿用中國(guó)中醫(yī)藥出版社物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材（第4版）實(shí)驗(yàn)方案，采用的方法為稱(chēng)取活性炭2.000 g，倒入250 mL的磨口瓶中，然后加入一定量的醋酸溶液，在室溫下振蕩器振蕩90 min，然后過(guò)濾，移取一定量的濾液用標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液標(biāo)定確定平衡濃度。利用公式（1）作圖，求k和n值，確定吸附公式。以我校2016級(jí)藥物制劑專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，對(duì)全班實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，學(xué)生實(shí)驗(yàn)完畢數(shù)據(jù)進(jìn)行簽字確認(rèn)。

2.1 ?方法

2.1.1 ?溫度對(duì)結(jié)果的影響

現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)未考慮環(huán)境溫度的微小波動(dòng)對(duì)吸附的影響。故本實(shí)驗(yàn)通過(guò)恒溫磁力攪拌水浴控制溫度，設(shè)計(jì)了20.0、20.5、21.0、21.5、22.0 ℃來(lái)探索溫度的測(cè)定結(jié)果與室溫測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，探討溫度的微小改變對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度。

2.1.2 ?活性炭粒度對(duì)吸附的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不同批次的活性炭顆粒大小不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，因此本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中考察了活性炭粒度大小對(duì)吸附的影響，將活性炭通過(guò)20、40、60、80目篩，區(qū)分為20目以下粒度、20～40目、40～60目、60～80目、80目以上5組，研究不同粒度大小對(duì)醋酸的吸附能力影響。

2.1.3 ?吸附時(shí)間對(duì)吸附的影響

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)要求振蕩時(shí)間90 min，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程普遍感覺(jué)煩躁。為節(jié)約寶貴試驗(yàn)時(shí)間，考慮時(shí)間對(duì)吸附的影響，設(shè)計(jì)了不同振蕩時(shí)間30、60、90、120、150 min的吸附量、以及改用磁力攪拌進(jìn)行對(duì)比，考察攪拌與振蕩對(duì)吸附效果的影響。

2.1.4 ?活性炭活化時(shí)間對(duì)吸附的影響

活性炭由于在保存運(yùn)輸過(guò)程中，或多或少的會(huì)吸附空氣中的水分子及氣體分子，導(dǎo)致活性炭的吸附能力降低，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)活性炭進(jìn)行加熱活化，使吸附的氣體分子發(fā)生解析附，可以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了在80 ℃活化時(shí)間為1.0、1.5、2.0、2.5 、3.0 ?h，考察活化時(shí)間對(duì)吸附的影響。

2.1.5 ?吸附條件的優(yōu)化

在25 ℃時(shí)，考察粒度大小、吸附時(shí)間、活化時(shí)間三因素對(duì)吸附的影響，利用Design-expert8.0軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化最佳吸附條件（表1-2）。

2.2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 ?溫度對(duì)吸附量的影響分析

由表3可以看出，由于吸附量與溫度有關(guān)，在室溫下溫度的微小波動(dòng)，吸附量會(huì)發(fā)生明顯的變化，在室溫下測(cè)定，實(shí)驗(yàn)誤差較大，RSD為17.97% （n=5）。而通過(guò)恒溫控制，RSD=4.68%（n=5），實(shí)驗(yàn)誤差顯著減小。

2.2.2 ?活性炭粒度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響分析

通過(guò)表4可以看出，活性炭的粒度大小不同吸附量不同，并且隨著粒度減小，吸附能力逐漸增強(qiáng)，主要原因在于單位質(zhì)量的活性炭，顆粒越小，比表面越大，吸附能力越強(qiáng)。

2.2.3 ?吸附時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響分析

通過(guò)表5分析可以得出結(jié)論，吸附時(shí)間越長(zhǎng)，吸附量越大，越接近平衡吸附量。同時(shí)，采用攪拌和振蕩兩種方式，攪拌效果更好，可以在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡吸附量，可以有效節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

2.2.4 ?活化時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響分析

通過(guò)表6可以看出，活化時(shí)間不同，活性炭的吸附量能力不同，當(dāng)活化時(shí)間達(dá)到2.0 h，吸附量基本恒定，因此活化時(shí)間應(yīng)控制在2.0 h以上。這主要與活性炭會(huì)吸附空氣中的氣體分子和水蒸氣有關(guān)。加熱活化，有利于脫附，可以將吸附的氣體分子和水汽分子釋放出來(lái)，增加了活性炭的吸附能力。

2.2.5 ?響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)響應(yīng)面法發(fā)現(xiàn)，粒度的大小、吸附時(shí)間、活化時(shí)間對(duì)吸附量影響程度為：粒度的大小>吸附時(shí)間和活化時(shí)間。并且實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，粒度過(guò)小，對(duì)于過(guò)濾速度會(huì)產(chǎn)生影響。故最佳實(shí)驗(yàn)方案為粒度大小40～60目、吸附時(shí)間60 min、活化時(shí)間2.0 h，此時(shí)吸附量趨于穩(wěn)定，達(dá)到0.001 58 mol?g-1（圖1-3）。

3 ?結(jié) 論

本試驗(yàn)探討了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中固液界面吸附實(shí)驗(yàn)條件：溫度的波動(dòng)、吸附（振蕩）時(shí)間、活性炭粒度、活化時(shí)間等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)溫度是影響實(shí)驗(yàn)的首要因素。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改進(jìn)，利用恒溫磁力攪拌裝置控溫，利用響應(yīng)面法對(duì)吸附條件進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳實(shí)驗(yàn)條件。結(jié)果表明：

（1）溫度的微小波動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，溫度升高，吸附量顯著減小，通過(guò)恒溫裝置控溫，可以減小實(shí)驗(yàn)誤差。

（2）通過(guò)磁力攪拌代替振蕩，效果更好，縮短了到達(dá)吸附平衡的時(shí)間，節(jié)約了寶貴的時(shí)間。

（3）活化時(shí)間對(duì)吸附會(huì)產(chǎn)生影響，活化時(shí)間120 min以上，吸附能力最強(qiáng)，主要原因是活化時(shí)間長(zhǎng)，有利于解析附。

（4）響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果表明，粒度大小40～60目、吸附時(shí)間60 min、活化時(shí)間2.0 h，此時(shí)吸附量趨于穩(wěn)定，達(dá)到0.001 58 mol/g。

（5）此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改進(jìn)，儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，可以增加實(shí)驗(yàn)中心儀器的使用率，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，目前在我院得到了大力推廣。

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