煤質(zhì)柱狀活性炭種類對十二烷基硫酸鈉吸附容量的影響

煤質(zhì)柱狀活性炭種類對十二烷基硫酸鈉吸附容量的影響

十二烷基硫酸鈉(SDS)是一種典型的陰離子型表面活性劑,其特定的潤濕力和良好的可生物降解性使其在電鍍工業(yè)中常被用作潤濕劑,用以增強(qiáng)金屬離子的分散性,減小液-固、氣-固接觸面的表面張力,避免陰極析出的氫氣停留造成針孔,提高產(chǎn)品表面的平滑度和光亮度,改善電鍍效果。然而,循環(huán)鍍液中殘余的SDS會(huì)使產(chǎn)品品質(zhì)下降,造成設(shè)備損耗且廢液中的SDS也會(huì)對水環(huán)境、土壤結(jié)構(gòu)及人類健康造成危害。

目前,去除水中表面活性劑的方法有混凝沉降法、泡沫分離法、膜分離法、吸附分離法、催化氧化法、微電解法和生物氧化法等。其中,以活性炭作為吸附劑的吸附分離法吸附量大,工藝簡單,成本較低,是較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。然而,活性炭種類繁多,性能隨原料種類、制備工藝、改性方法等差異很大。迄今為止,關(guān)于活性炭種類與SDS吸附容量的研究尚不系統(tǒng)、深入。

本文選取4種具有代表性的市售商品活性炭為樣品,分別測定其對SDS的吸附等溫線,關(guān)聯(lián)活性炭比表面積、吸附性能與其SDS吸附容量間的關(guān)系,期望對用于脫除電鍍液中SDS的活性炭的選擇提供依據(jù)。

1·實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑及儀器

選用以無煙煤、長焰煤、褐煤和椰殼為原料制成的4種市售典型商品活性炭為吸附劑樣品,分別記作AC-1,AC-2,AC-3,AC-4。將活性炭樣品洗滌、自然干燥后,研磨至透過200目篩(0.074mm),置于電熱恒溫干燥箱內(nèi),在100°C溫度下干燥48h。將制備好的粉末活性炭放入干燥器中備用。

主要試劑有:氫氧化鈉(1mol/L),硫酸(0.5mol/L),氯仿,十二烷基硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液(10.0mg/L),亞甲藍(lán)溶液(30mg/L),磷酸二氫鈉洗滌液(50g/L),酚酞(指示劑),在索式抽提器中經(jīng)氯仿抽提后的脫綿紙。

研究中使用的主要儀器有:紫外-可見分光光度計(jì)(UV-9600型,北京瑞利分析儀器公司),250mL分液漏斗(聚四氟乙烯活塞),索式抽提器(150mL平底燒瓶,Φ35×160mm抽出筒,蛇形冷凝管),超聲波清洗器(KQ5200B型,昆山市超聲波儀器有限公司),恒溫水浴振蕩器(SHZ-88型,江蘇太倉市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠)。

1.2 活性炭的表征

按GB/T7702.7-2008和GB/T7702.6-2008測定活性炭的碘吸附值和亞甲藍(lán)吸附值指標(biāo)。

采用Nova-1200型氣體吸附儀(美國Quantachrome公司)測定液氮溫度下活性炭的氮?dú)馕��?脫附等溫線;用BET法計(jì)算活性炭的總比表面積,用t-plot法計(jì)算其微孔比表面積,相減得大、中孔比表面積;將相對壓力為0.995時(shí)的氮?dú)馕�附容量換算成液態(tài)氮?dú)獾捏w積,即為活性炭的總孔容,與t-plot法計(jì)算得到的微孔孔容相減得大、中孔孔容。

1.3 SDS的測定

目前水中SDS的質(zhì)量濃度的測定方法有可見分光光度法、色譜法、流動(dòng)注射分析法、共振光散射分析法等。其中,可見分光光度法靈敏性高,吸光度穩(wěn)定,共存離子的干擾較小,且操作簡單,原料成本較低,是比較經(jīng)濟(jì)可行的方法。

本研究中采用亞甲藍(lán)分光光度法(GB7494-37)測定水中SDS的質(zhì)量濃度。

取分液漏斗10個(gè),分別配置100mL不同質(zhì)量濃度的SDS標(biāo)準(zhǔn)溶液,將溶液的pH值調(diào)至中性。分別加入25mL亞甲藍(lán)溶液,用氯仿反復(fù)萃取,將氯仿層移入50mL容量瓶中,加氯仿到標(biāo)線。在652nm波長處,以氯仿為參比液,測定10個(gè)萃取溶液的吸光度(A),做A-ρ標(biāo)準(zhǔn)曲線。取適量待測SDS溶液,與水混合至100mL,根據(jù)以上方法測得萃取溶液的吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線反推待測溶液的質(zhì)量濃度。

1.4 實(shí)驗(yàn)條件的確定

為測定活性炭對SDS的吸附等溫線,需要確定的基本實(shí)驗(yàn)條件是活性炭的質(zhì)量與溶液體積的比例。首先以AC-1為樣品,初步進(jìn)行了探索實(shí)驗(yàn)。

鍍液中SDS的質(zhì)量濃度一般在0.5~5.0g/L之間,工作溫度在50°C左右。配制質(zhì)量濃度為2g/L的SDS溶液作為探索溶液,分別取20mL,30mL,35mL,40mL,45mL,50mL該溶液于6個(gè)錐形瓶中,加入0.2g的AC-1。將6個(gè)錐形瓶置于50°C下恒溫振蕩24h,使吸附飽和,過濾,測濾液中SDS的質(zhì)量濃度,根據(jù)式(1)計(jì)算吸附容量。

式中:E為SDS的吸附容量,mg/g;ρ0為溶液中SDS的初始質(zhì)量濃度,g/L;ρ為吸附過后濾液中SDS的質(zhì)量濃度,g/L;V為所取SDS溶液的體積,mL;m為活性炭的質(zhì)量,g。

圖1為SDS吸附容量隨溶液體積的變化。由圖1可知:SDS的吸附容量隨著溶液體積的增加而急劇增大;當(dāng)溶液的體積超過35mL后,活性炭對SDS的吸附容量隨溶液體積的變化速率逐漸減小;當(dāng)溶液的體積超過45mL后,吸附容量的變化趨于平緩。

1.5 吸附等溫線的測定和繪制

配制質(zhì)量濃度為0.5,1.0,2.0,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0g/L的SDS溶液,標(biāo)定其質(zhì)量濃度。分別取質(zhì)量為0.2g的4種活性炭樣品于4個(gè)錐形瓶中,分別加入35mL同一質(zhì)量濃度的溶液,根據(jù)1.4中的方法測得4種活性炭對同一質(zhì)量濃度的SDS溶液的吸附容量,實(shí)驗(yàn)時(shí)做平行樣。以此類推,可測得4種活性炭對8個(gè)不同質(zhì)量濃度的SDS溶液的吸附容量,進(jìn)而繪制出對應(yīng)的吸附等溫線。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

圖2為根據(jù)亞甲藍(lán)分光光度法測得的SDS的質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線。標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合方程為y=0.5595x+0.0073,擬合系數(shù)達(dá)到0.9992。說明用亞甲藍(lán)分光光度法測定溶液中SDS的質(zhì)量濃度,吸光度穩(wěn)定,結(jié)果比較準(zhǔn)確,受干擾性小,且操作簡單,成本較低,是一種經(jīng)濟(jì)可行的方法。

2.2 活性炭的孔結(jié)構(gòu)及吸附性能

所選煤質(zhì)活性炭由于原料變質(zhì)程度不同,其比表面積和孔隙分布有很大差異,變質(zhì)程度由高到低為無煙煤、長焰煤、褐煤。4種活性炭的性能指標(biāo),如表1所示。為了更精確地說明比表面積與SDS吸附容量之間的關(guān)系,本文對4種活性炭的微孔和大中孔比表面積進(jìn)行計(jì)算,作為對比數(shù)據(jù),如圖3所示。

由表1可知:AC-4的比表面積和總孔容最大,對碘和亞甲藍(lán)的吸附性能最好,其次為AC-3和AC-1;AC-2雖然比表面積較大,大、中孔率最高,但對碘和亞甲藍(lán)的吸附值卻最小,這可能與其孔形狀與孔徑分布有關(guān)。由圖3可知:4種活性炭的微孔比表面積由大到小為AC-4、AC-1、AC-3、AC-2,大、中孔比表面積由大到小為AC-2、AC-3、AC-4、AC-1。

2.3 吸附等溫線

4種活性炭對SDS的吸附等溫線,如圖4所示。

4種活性炭對SDS的最大吸附容量,如表2所示。由圖4可知:隨著SDS的質(zhì)量濃度的增加,吸附容量逐漸增加,當(dāng)其質(zhì)量濃度達(dá)到一定值后,吸附容量趨于飽和。比較4條吸附等溫線及表3數(shù)據(jù)可知:AC-4對SDS的吸附容量最大,其次是AC-3、AC-1、AC-2。

比較圖3和表2可以看出:對于AC-4、AC-3、AC-1而言,SDS吸附容量與活性炭的大、中孔比表面積都有相關(guān)性,說明大、中孔比表面積對SDS的吸附有影響;AC-2的大、中孔比表面積雖大,但其SDS吸附容量卻最小,因此,可以推測:AC-2較小的微孔比表面積限制了其對SDS的吸附。比較表1和表2可以看出:活性炭對SDS的吸附容量隨著碘值和亞甲藍(lán)值的增大而增大。雖然SDS的分子量與亞甲藍(lán)的分子量(分別為288和374)相近,但活性炭對SDS的吸附容量卻幾乎是對亞甲藍(lán)的吸附容量的2倍。一方面是由于SDS更容易進(jìn)入大、中孔,另一方面證明微孔對SDS的吸附起到了一定的作用。SDS的長鏈結(jié)構(gòu)決定了在吸附過程中SDS先進(jìn)入大、中孔,當(dāng)SDS以直鏈插入時(shí)可以進(jìn)入微孔,盡管被微孔吸附的概率很小,但由于這幾種活性炭的微孔量都是大、中孔量的5倍以上,所以微孔對吸附也有一定的作用。因此,活性炭在對SDS的吸附過程中,大、中孔起到了主要作用,微孔起到了次要作用。最理想的用于去除水中SDS的活性炭首先必須具有較多的大、中孔,其次應(yīng)具有一定數(shù)量的微孔;碘值和亞甲藍(lán)值可以作為評價(jià)活性炭對SDS吸附能力的指標(biāo)。

3·結(jié)論

(1)采用亞甲藍(lán)分光光度法測定SDS的質(zhì)量濃度,方法簡便可行、操作簡單、擬合系數(shù)較高、測定結(jié)果準(zhǔn)確,是一種經(jīng)濟(jì)可行的方法。

(2)以長焰煤、無煙煤、褐煤和椰殼為原料制備的活性炭對SDS的吸附容量分別為390mg/g,410mg/g,434mg/g和459mg/g,差異較為明顯。

微孔比表面積和大、中孔比表面積對SDS的吸附都有影響,但與其相關(guān)性不明顯。活性炭對SDS的吸附容量隨碘值和亞甲藍(lán)值的增大而增大,因此,碘值和亞甲藍(lán)值可以作為評價(jià)活性炭對SDS吸附能力的指標(biāo)。

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