在硼的吸附过程中煤质活性炭的吸附受哪些因素影响

　　硼元素是生物体生长中必须的微量元素，但是过量的硼元素在生物体内聚积会有害健康。人体长期接触硼会导致中毒，严重的甚至会导致死亡。过量的硼也会影响农作物的产量，严重时甚至颗粒无收。煤质活性炭具有比表面积大，吸附能力强，价格便宜的优点，是一种常用的吸附剂。我们以煤质活性炭为吸附剂，采用控制变量法观察吸附剂用量、吸附时间、PH值和吸附温度等因素对硼离子吸附效果的影响，来一起看一下煤质活性炭在实际应用中吸附硼的效果如何。

　　1.煤质活性炭的表征分析

　　煤质活性炭的电镜表征结果。煤质活性炭通过电镜放大1200倍后发现活性炭表面成块状结构，且块状结构之间存在着大量微米级的孔结构，由于大量的微米孔存在，使得煤质活性炭具有较强的吸附能力。但煤质活性炭表面还存在一些纳米级孔，且孔径隧道中存在着固态的无机盐、液态的焦油等灰分。煤质活性炭吸附效果一部分取决于活性炭表面孔径的大小，孔径太小即活性炭孔径小于吸附质分子时，因分子筛作用吸附质分子不能够进入孔隙，这不利于活性炭吸附硼。而孔径隧道中的灰分会减小活性炭比表面积，影响活性炭吸附性能。

　　此外还分析了煤质活性炭的元素组成。其中Mg、Al元素的质量分别占活性炭总质量的0.39%和1.01%，而Mg、Al元素又以MgO、Al2O3的形式存在，这些金属氧化物在硼酸溶液中可与硼酸共沉淀生成相应的硼酸盐，虽然其质量在整个活性炭中占比不大，但也有助于煤质活性炭吸附分离硼。

　　2 活性炭投加量对吸附效果的影响

　　分别取0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8g煤质活性炭，吸附处理50mL硼离子浓度为50mg/L的硼酸溶液2 h，温度设定为25℃，振荡频率为120次/min。当煤质活性炭的投加量为14g/L之后，硼去除率增加的幅度趋于缓慢，因此，选择14g/L为煤质活性炭除硼的较佳投料比。

　　吸附效果在一定程度上与吸附剂的吸附位点有关，吸附位点和吸附剂的投加量存在着正比关系。煤质活性炭作为吸附剂之一，当活性炭的投加量较小时，活性炭不能提供足够的接触面，溶液中的硼离子不能与吸附剂充分接触，因而吸附效果不佳。当吸附剂质量增加时，吸附剂能够提供更多的有效吸附位，去除效果可以得到显著提升。

　　3温度对吸附效果的影响

　　取事先配制好的硼酸溶液50mL，称取0.7g煤质活性炭投放至水溶液中，恒温振荡器的振荡频率为120次/min，振荡1h，振荡温度分别为25、30、35、40 ℃。活性炭的吸附效果。随着温度的升高，煤质活性炭的吸附率先增加后减小，峰值出现在35℃。

　　吸附温度在25-35 ℃之间时，温度的提升有助于煤质活性炭对硼的吸附，特别是在35℃时尤为明显。活性炭的孔道部分具有很强的活性，特别容易发生吸附或反应，但硼到达这些孔道存在一定的阻力，而温度的升高有助于克服这些阻力，因此在一定范围内随着温度升高煤质活性炭吸附硼的能力会越强。但吸附温度在40 ℃时，活性炭对硼去除率大幅度下降，这与硼酸在水溶液中的饱和溶解度有关，相较于离解态吸附质，活性炭更有利于吸附非离解态吸附质，而水温在40℃时，溶液中的离解态吸附质的浓度有一个向上的突跃，因此在水温为40℃时，煤质活性炭吸附分离硼的效果不佳。

　　4 吸附时间对吸附效果的影响

　　在吸附温度35℃的环境下，用活性炭吸附处理50mL硼離子浓度为50mg/L的硼酸溶液，称取质量为0.7g的煤质活性炭投放至水溶液中，依次振荡5、10、20、40、60、140、200min。恒温振荡器的振荡频率为120次/min。吸附时间大约在60min左右时，硼去除率达到92.20%，在200min时硼去除率较高可达96.98%，说明在60 min时，活性炭吸附基本已经达到平衡。

　　在煤质活性炭吸附的初期，吸附速率增加十分明显，60min左右时，硼去除率基本已经达到平衡值92.20%，随着时间的推移，吸附速率逐渐变慢。这是因为活性炭吸附初期固/液界面存在着较大的浓度梯度，浓度差越大，吸附驱动力越大，吸附速率越快。随着时间的推移，固/液界面的浓度梯度减小到平衡状态，吸附也跟着到达平衡。此外，煤质活性炭在吸附初期具有较多吸附位，能快速吸附硼。然而随着吸附时间的增加，活性炭表面的吸附部位逐渐被硼填充。溶液中的硼很难再被活性炭吸附，这也导致了吸附后期吸附速率大幅度变缓。

　　5 溶液pH对硼的吸附影响

　　随着pH的增加，煤质活性炭对硼的吸附效果没有一定的规律，但是还是能够发现pH范围在2-4时，硼去除率随着pH的增加而减少，pH范围在7-10时，硼去除率随着pH的增加而增加，并且当溶液pH值为6时，活性炭吸附效果较好，当溶液pH值为7时，活性炭吸附率达到较小值。

　　总结

　　(1)对于硼离子浓度为50mg/L的硼酸溶液而言，煤质活性炭的投加量大于14g/L之后，随着活性炭的投加量增加，硼的去除率增加的幅度开始减缓，因此活性炭的较佳投加量为14g/L。

　　(2)在吸附时间为60min左右时，煤质活性炭吸附硼基本达到平衡，硼去除率较高可达96.98%。

　　(3)活性炭的较佳吸附温度为35℃，这是因为虽然温度升高有助于减小吸附阻力，但是随着温度的升高溶液饱和浓度开始增加，从而增加了煤质活性炭吸附硼的难度。

　　(4)当溶液pH值为6时，煤质活性炭吸附效果较佳。