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在硼的吸附过程中煤质活性炭的吸附受哪些因素影响

作者:宁夏永瑞达炭素有限公司 日期:2020年8月24日

  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。

煤质活性炭

  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。

煤质活性炭

  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。

煤质活性炭

  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。

煤质活性炭

  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。