活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭用于分离工业废水中铜和锌，工业生产的发展与自然资源的迅速减少密切相关。在冶金设备中产生的废物量较大，在此过程中产生的酸性洗涤塔废液被视为废液。从技术和环境保护的观点来看，酸性洗涤塔液体的处理方法很重要。使用活性炭分离相的效率和质量对铜和锌离子的回收率具有决定性的影响，铜和锌离子可以回收用于火法冶金工艺。

　　来自农业和工业废物制成的活性炭吸附剂因其广泛的可获得性，低成本和理化特性而受到广泛关注。由于活性炭具有丰富的极性官能团，它们被认为是有前途的金属吸附剂。这项工作的目的是研究从农业废物中制备一种新活性炭的方法。而且，工作范围是所获得材料的物理化学表征。这种新材料将用于从酸性洗涤液中吸附和分离铜离子，锌离子和砷离子，以从废水中回收铜离子和锌离子。

　　活性炭的基本特征

　　新开发的活性炭材料具有大量的钾，钙，磷和镁。这些金属在活性炭中的存在对金属吸附过程是有益的。它们可以与所研究的金属交换或沉淀，从而降低其可用性。报道的吸附动力学结果表明，通过阳离子交换机制在活性炭中吸附重金属发生在反应的早期。活性炭材料的SEM图像如图1所示。所制备的碳吸附剂由趋于团聚的具有不同晶粒尺寸的不规则形状的颗粒组成。所获得的活性炭的外表面还具有深的狭缝，在热解过程中去除挥发性有机物后可能会形成狭缝。

　　图1：(a)10μm和(b)4μm下活性炭的SEM图像。

　　活性炭对铜和锌的吸附过程

　　吸附研究是使用硫酸铜和硫酸锌的标准溶液进行的。对于制备的标准溶液，确定了合适的吸附参数：使用浓硫酸调节pH0-5范围，接触时间5-480分钟。适量的活性炭吸附剂和一定浓度的被吸附物用于吸附研究。将带有橡胶塞的锥形瓶中的样品置于恒温器中。在恒温搅拌下进行样品的吸附研究，持续5至480分钟。在该过程完成之后，将烧瓶的内容物过滤并将滤液定量转移到容量瓶中，并用蒸馏水填充至刻度。然后定量分析制备的样品中的铜和锌离子。

　　测试了pH对铜和锌离子吸附速率的影响，在低pH值(0-3)下，铜和锌离子的吸附不利。在0.1-5的pH范围内，计算出的吸附效率差异等于90%，而在pH5的溶液中获得了高的吸附率(95%)。活性炭对铜离子的亲和力高于对离子的亲和力，吸附剂浓度对铜和锌吸附效率也是有一定的影响的，效率值随活性炭质量的增加而增加。图2显示了活性炭吸附剂对铜和锌的吸附效率。

　　图2：吸附效率随时间和温度的变化：(a)铜(b)锌。

　　对图2所示数据的分析表明，两种测试阳离子的温度升高都会影响效率值。在低温度下进行的实验获得的效率较低，而铜和锌离子的分离效率分别为96%和63%。温度变化时，两种阳离子的效率值高，分别为98%和87%。同时，很明显，与铜离子相比，工艺温度对锌离子的吸附影响更大。将处理温度提高会使效率提高约21%。在铜离子的情况下，过程温度的类似升高导致过程效率提高2%。铜和锌吸附过程对温度的这种热力学依赖性可能与其吸热特性有关。这可能归因于较高温度下所研究的阳离子在微孔内的渗透性增加，或产生了新的活性位点。吸热吸附可能是由于预吸附的水与活性炭之间的相互作用比铜和锌离子与活性炭之间的相互作用更强。

　　活性炭相互作用的机理

　　根据实验数据，提出了活性炭/被吸附物相互作用的机理(图3)。应该强调的是，这些相互作用主要受反应pH的影响。另一方面，相互作用似乎是由静电和化学性质引起的。通过活性炭吸附剂显示出相对于铜和锌离子的相对较好的吸附容量值。相对于Cu2+/As3+和Zn2+/As3+的离子混合物，所研究的活性炭的优势还在于高选择性。高分离度可以回收这些金属，从生态和经济角度来看，这无疑是有益的。

　　图3：活性炭/被吸附物相互作用的拟议机制。

　　本次开发的活性炭材料特征在于对铜和锌离子的亲和力相对较高，而对砷离子的亲和力非常低，这已被实验结果证实。所提出的吸附剂的吸附性能主要取决于吸附剂和吸附剂之间的接触时间，吸附温度，阳离子初始浓度，所用吸附剂的重量(相对于溶液的体积和pH)。对于铜和锌离子的吸附测试中，发现活性炭具有高选择性和高吸附性能，在用于工业废水中能很好的分离回收铜和锌。

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