孫家翰，王 瑩，楊震爍，鄧銀河

(大連交通大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

活性炭是一種多孔性的、高度分散的吸附劑，它在溶液中有較強(qiáng)的吸附能力，在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用[1-2]。大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)《固體在溶液中的吸附》實(shí)驗(yàn)[3-4]研究了活性炭在醋酸水溶液中對(duì)醋酸的吸附作用，并推算出活性炭的比表面積。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)定了活性炭對(duì)不同濃度醋酸的吸附量，但是并沒(méi)有研究反應(yīng)條件，如時(shí)間和溫度對(duì)活性炭在醋酸溶液中吸附作用的影響，本文將從不同吸附條件出發(fā)，研究活性炭在不同吸附溫度、時(shí)間以及溶液濃度下對(duì)醋酸溶液的吸附作用，同時(shí)引入離子交換樹(shù)脂和人造沸石，與活性炭進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果可供高校相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員參考與借鑒。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 藥品與儀器

活性炭(粒狀，AR)，001×7陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，南大化工廠；人造沸石(LR)，醋酸(AR)，氫氧化鈉(AR)。

I.L-204電子天平，梅特勒-托利多上海有限公司；DF-101S恒溫水浴振蕩器，力辰科技；滴定裝置。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)按照表1在磨口錐形瓶中配制不同濃度的醋酸溶液，其中原始醋酸濃度為0.4 mol/L，而后每瓶中加入吸附劑1 g(準(zhǔn)確至1 mg)。

表1 不同濃度的醋酸溶液的配制

(2)將上述錐形瓶用磨口塞塞好，置于恒溫水浴振蕩器上，調(diào)節(jié)溫度和時(shí)間，進(jìn)行振蕩。

(3)振蕩完畢，用帶有塞上玻璃毛的橡皮管的移液管吸取一定量的上層清液，用0.1 mol/L的氫氧化鈉滴定，按照公式(1)計(jì)算活性炭在不同醋酸濃度下的吸附量Γ。由于每瓶?jī)?nèi)醋酸濃度不同，所取體積也不同，1和2號(hào)瓶各取10 mL，3和4號(hào)瓶各取20 mL，5～7號(hào)瓶各取40 mL。另外，需準(zhǔn)確標(biāo)定醋酸的原始濃度。

(1)

式中：v為溶液的總體積(L);m為加入溶液中的吸附劑質(zhì)量(g);c0為醋酸的起始濃度(mol/L);c為平衡濃度(mol/L)。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附劑的比較

選擇離子交換樹(shù)脂、人造沸石與活性炭三種吸附劑，考察不同吸附劑對(duì)醋酸溶液的吸附性能，吸附條件為30 ℃和0.5 h。應(yīng)用公式(1-2)，分別完成吸附量Γ對(duì)平衡濃度c的等溫線和c/Γ-c作圖，由后圖求得飽和吸附量?！?，之后代入公式(3)，得到吸附劑的比表面積S0。

(2)

(3)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)沸石對(duì)醋酸吸附前后的吸附量差值出現(xiàn)負(fù)值，表明其吸附性能很差，這可能是沸石在酸性環(huán)境中遭到結(jié)構(gòu)上的破壞，部分成分進(jìn)入溶液中導(dǎo)致。因此在后面的作圖處理過(guò)程中，不考慮沸石。關(guān)于離子交換樹(shù)脂和活性炭的相關(guān)作圖如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2看出，隨著醋酸平衡濃度的增加，樹(shù)脂和活性炭對(duì)醋酸的吸附量呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)。通過(guò)作圖計(jì)算，得到樹(shù)脂的飽和吸附量?！逓?.0011 mol/g，比表面積S0為162.23 m2/g；活性炭的飽和吸附量?！逓?.0021 mol/g，比表面積S0為306.37 m2/g?？梢?jiàn)相同質(zhì)量的活性炭較樹(shù)脂具有較大的比表面積。實(shí)驗(yàn)中選用的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂是顆粒內(nèi)部存在著很多極性官能團(tuán)的反應(yīng)性聚合物[5]，在吸附實(shí)驗(yàn)前轉(zhuǎn)型為H型，對(duì)醋酸的吸附屬于化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)其內(nèi)部豐富的孔道也具有吸附醋酸分子的作用，但以前者為主。而活性炭表面具有無(wú)數(shù)細(xì)小孔隙，使其擁有巨大的比表面積，對(duì)醋酸分子的吸附以物理吸附為主。顯而易見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)中活性炭較樹(shù)脂具有較強(qiáng)的吸附性能。

圖1 樹(shù)脂的吸附曲線

圖2 活性炭的吸附曲線

2.2 不同溫度對(duì)吸附性能的影響

以活性炭為研究對(duì)象，探討在不同溫度(30，40，50，60，70 ℃)下，對(duì)醋酸溶液的吸附性能，如圖3所示，其中0.47 mol/L等表示吸附前溶液的起始濃度，振蕩時(shí)間控制在0.5 h。從圖3可以看出，隨著溫度的升高，起始濃度越大，曲線上升幅度越大，即活性炭對(duì)醋酸分子吸附量就越大。這是由于溫度越高，醋酸分子的遷移速度越快，在一定的時(shí)間內(nèi)有更多的醋酸分子能夠進(jìn)入活性炭?jī)?nèi)部，完成吸附過(guò)程。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)是在室溫進(jìn)行，即15～25 ℃之間，因此，不同起始濃度下獲得的吸附量比較接近，加上學(xué)生實(shí)驗(yàn)的誤差，極容易造成吸附量的重疊，沒(méi)有可比性，進(jìn)而實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤，甚至得出相反的結(jié)果。因此，實(shí)驗(yàn)中可以提升吸附溫度，比較不同溫度下活性炭對(duì)醋酸溶液的吸附效果。

圖3 吸附量隨溫度的變化曲線

圖4 吸附量隨時(shí)間的變化曲線

2.3 不同時(shí)間對(duì)吸附性能的影響

圖4出示了在不同時(shí)間(0.25，0.5，1，2，4 h)下，活性炭對(duì)醋酸溶液的吸附曲線，其中固定吸附溫度為30 ℃。可以清晰地觀察到，0.25 h到0.5 h的吸附過(guò)程中，吸附量出現(xiàn)了明顯的下降，這可能是由于醋酸分子與活性炭剛一接觸時(shí)，大量的醋酸分子迅速被吸附，從而出現(xiàn)較高的吸附量，但是隨著振蕩的進(jìn)行，出現(xiàn)了短暫的解析現(xiàn)象，之后從0.5 h開(kāi)始，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，吸附量逐漸上升，吸附速度大于解析速度，并且起始濃度越大，曲線上升幅度越大，即活性炭對(duì)醋酸分子吸附量就越大。這可能是由于長(zhǎng)時(shí)間的振蕩促使醋酸分子在活性炭上的吸附更加牢固，降低解析概率[6]。

在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，采用的是0.5 h的吸附時(shí)間，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明0.5 h不利于活性炭對(duì)醋酸的吸附，因此在學(xué)生的實(shí)驗(yàn)中，可以延長(zhǎng)吸附時(shí)間，探討不同吸附時(shí)間對(duì)吸附性能的影響。

3 結(jié) 論

本文從大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)《固體在溶液中的吸附》出發(fā)，考察了離子交換樹(shù)脂、人造沸石與活性炭三種吸附劑對(duì)醋酸溶液的吸附性能，之后以活性炭為研究對(duì)象，探討了吸附溫度和時(shí)間對(duì)醋酸吸附性能的影響。結(jié)果表明，活性炭的比表面積S0為306.37 m2/g，大于樹(shù)脂的比表面積S0162.23 m2/g，活性炭對(duì)醋酸具有較強(qiáng)的吸附作用；另外，較高的溫度促進(jìn)醋酸分子遷移速度加快，而時(shí)間的延長(zhǎng)使得醋酸分子在活性炭上吸附能力大于解析能力，因此隨著吸附溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，活性炭對(duì)醋酸分子吸附量增大，并且起始濃度越大，吸附量越大。因此，在學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)該提高吸附溫度并適當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間，如果課時(shí)允許，可以在多溫度和多時(shí)間下完成活性炭對(duì)醋酸的吸附，從而形成一個(gè)完整的吸附體系。