活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭从碱性甘氨酸溶液中吸附铂

　　铂作为一种珍贵的铂族金属，因其高耐腐蚀性、化学惰性以及卓越的耐高温特性，在汽车催化转化器、燃料电池、生物医学工业和珠宝制造等现代技术领域中扮演着不可或缺的角色。然而，世界铂金投资委员会连续第三年预测，2025年全球铂金市场将出现短缺，并且这一情况将持续至2029年。从地质学角度看，铂是一种稀缺金属，其主要采矿生产国集中在南非(69%)、俄罗斯(13%)和津巴布韦(11%)。这种地理集中性进一步加剧了铂的稀缺性。

　　鉴于铂的稀缺性和战略重要性，开发高效的回收技术已成为解决供应短缺的关键途径。传统的铂回收方法主要依赖于氰化物和酸性氯化物系统，这些方法虽然有效，但常伴随环境污染，包括有毒气体释放和有害废水生成。近年来，碱性氨基酸酸(甘氨酸)作为一种更具环境友好性的替代方案崭露头角，它能够提供高选择性且更环保的回收方法。

　　在众多分离技术中，活性炭吸附因其成本低廉、操作简便且效率较高，已成为从稀溶液中回收贵金属的常用方法。然而，大多数现有研究集中在酸性或氰化物介质中活性炭对铂的吸附行为，而对碱性甘氨酸溶液中铂吸附特性的了解仍属空白。本研究旨在系统探讨活性炭从碱性甘氨酸溶液中吸附铂的可行性，评估不同操作参数对吸附效率的影响，并为开发更环保的铂回收工艺提供科学依据。

　　实验方法与材料

　　本研究所用的活性炭为韩研椰壳活性炭，使用前经去离子水充分洗涤以去除杂质，并在105℃下干燥至恒重。实验所用化学试剂包括甘氨酸(分析纯)、氰化钠(分析纯)和氯铂酸(用于制备含铂溶液)，均采用去离子水配制所需浓度的溶液。

　　吸附实验在系列恒温水浴摇床中进行，以确保温度控制的精确性。实验溶液使用氢氧化钠和稀硫酸调节至所需pH值，并通过pH计实时监控。

　　实验方法

　　吸附实验在系列锥形瓶中进行，每个瓶中加入100mL不同初始浓度的含铂甘氨酸-氰化物溶液。按照预设的固液比加入精确称量的活性炭后，将锥形瓶置于恒温水浴摇床中，以恒定转速振荡，确保固液两相充分接触。

　　吸附达到预设时间后，取上清液通过0.45μm微孔滤膜过滤，采用电感耦合等离子体发射光谱法测定滤液中残余铂浓度，并计算吸附效率。每个实验条件均设置平行样品，以确保数据的可靠性和重现性。

　　活性炭用量的影响

　　活性炭用量是影响铂吸附效率的关键因素之一。本研究考察了0.5至3.0g/L范围内活性炭用量对铂吸附的影响。数据显示，当活性炭用量从0.5g/L增加至1.0g/L时，铂的吸附效率从92.37%显著提升至95.18%。这一显著增长主要归因于可供吸附的活性位点数量增加，提供了更多的铂结合位点。随着用量进一步增加至3.0g/L，吸附效率虽继续提高至97.93%，但增长幅度明显减缓，表明单位质量活性炭的利用率下降。

　　这种现象可由活性炭表面异质性解释：初始阶段，最易接触的高能量吸附位点优先被占据;随用量增加，逐渐利用的是能量较低、可及性较差的位点。从实际应用角度，过量活性炭不仅提高运营成本，还会导致后续固液分离困难。因此，本研究中1.0g/L的活性炭用量被视为经济效益与吸附效率的最佳平衡点。

　　温度的影响

　　温度对活性炭吸附铂的过程有着复杂影响。实验结果表明，在25℃至80℃的研究范围内，温度升高有利于提高铂的吸附效率。在25℃条件下，吸附效率为70.00%;当温度升至80℃时，效率显著提高至95.72%。温度升高带来的积极效应可归因于以下几个方面：首先，高温增加了铂离子的动能，提高了其与活性炭表面接触的概率;其次，温度上升可能增强了铂离子在活性炭孔隙内的扩散速率;此外，高温还可能改变了铂-甘氨酸-氰化物配合物的化学形态，使其更易被活性炭吸附。

　　值得注意的是，即使在较低温度(25℃)下，吸附效率仍达到70%，表明活性炭在碱性甘氨酸体系中对铂具有良好的基础亲和力。然而，为实现更高效率(>90%)，适度升温是必要的。这一发现对工业应用具有重要意义，可通过利用工业过程余热，实现能耗与回收效率的优化平衡。

　　pH值的影响

　　溶液pH值通过影响活性炭表面电荷及铂配合物的化学形态，对吸附过程产生重要影响。本研究评估了pH8至12范围内的吸附效率。在研究的碱性范围内(pH8-12)，铂吸附效率随pH值升高而稳步提升，从94.08%(pH8)增至97.39%(pH12)。这一趋势与常规认知有所不同，在多数金属离子吸附中，高pH值常因活性炭表面负电荷与金属羟基配合物间的静电排斥而降低吸附效率。

　　本研究观察到的相反趋势可能源于碱性甘氨酸-氰化物体系中铂的特殊存在形态。在高pH环境下，铂可能形成与活性炭表面有强亲和力的阴离子配合物。此外，碱性条件可能改变了活性炭表面的官能团状态，如增强了某些含氧基团的电离程度，从而促进了铂配合物的吸附。值得注意的是，在pH10至12的范围内，吸附效率差异不大(96.43%-97.39%)，表明该系统在较宽碱性范围内均能保持高效吸附，这为工业应用提供了灵活的pH操作窗口。

　　溶液成分的影响

　　甘氨酸浓度

　　甘氨酸作为铂的配合剂，其浓度对铂的吸附行为有显著影响。研究表明，在0.1M至1.0M的甘氨酸浓度范围内，铂的吸附效率保持在较高水平，从95.72%略微上升至96.53%。这种微小变化表明甘氨酸浓度不是吸附过程的限制因素，也反映了活性炭对铂-甘氨酸配合物具有广泛浓度适应性。

　　甘氨酸在系统中扮演双重角色：一方面作为配合剂与铂形成可溶性配合物;另一方面可能通过其氨基和羧基与活性炭表面发生相互作用，间接影响吸附过程。值得关注的是，即使在高甘氨酸浓度(1.0M)下，铂的吸附效率也未受明显抑制，这预示着甘氨酸与铂形成的配合物对活性炭仍保持高亲和力，且可能与活性炭表面存在多种相互作用机制，如配体交换、静电吸引等。

　　氰化物浓度

　　氰化物是影响铂吸附的另一关键组分。在0.05M至0.2M的氰化物浓度范围内，铂的吸附效率从95.72%小幅提升至97.12%。这种正向但有限的影响表明氰化物可能通过改变铂配合物的组成或电荷特性，增强了其与活性炭表面的亲和力。

　　在碱性甘氨酸-氰化物体系中，铂很可能形成混合配体配合物，如[Pt(Gly)(CN)_x]^n-形式(其中Gly代表甘氨酸)。随着氰化物浓度增加，配合物中氰基比例可能上升，改变配合物的整体电荷和空间结构，进而影响其吸附行为。值得注意的是，即使氰化物浓度较低(0.05M)，系统仍能保持高效吸附(95.72%)，这对减少环境风险具有积极意义，因为它允许在更低氰化物浓度下实现高效铂回收。

　　初始铂浓度

　　初始铂浓度对吸附过程的影响评估表明，在25至100mg/L的范围内，铂吸附效率保持在较高水平(95.16%-96.23%)。在低浓度(25mg/L)下，吸附效率为95.16%;随着浓度增加至50mg/L，效率略微上升至96.23%;继续增至100mg/L时，效率稳定在95.82%。

　　这一趋势表明活性炭在碱性甘氨酸体系中对铂具有高吸附容量，即使在相对高浓度下也未出现饱和现象。活性炭对铂的高亲和力使得在宽浓度范围内都能保持稳定高效的吸附，这对于处理实际废水或工艺溶液非常有利，因为这些溶液中的铂浓度可能波动较大。此外，研究结果还证实该方法特别适用于处理低浓度含铂溶液，为解决传统方法回收稀溶液中铂的难题提供了新途径。

　　吸附机理与环境效益分析

　　吸附机理探讨

　　活性炭从碱性甘氨酸-氰化物溶液中吸附铂的过程涉及多种机制的协同作用。与传统的酸性氯化物系统中铂以阳离子形式(如Pt^4+)存在不同，在碱性甘氨酸-氰化物环境中，铂很可能形成阴离子混合配体配合物，如[Pt(Gly)(CN)_2]^-或[Pt(Gly)_2(CN)_2]^2-等。

　　活性炭表面的化学异质性为这些铂配合物的吸附提供了多样化位点。其吸附机制可能包括：

　　(1)静电吸引：活性炭表面在碱性条件下可能带有部分正电荷区域，与带负电的铂配合物产生吸引;

　　(2)配体交换：活性炭表面的含氧官能团(如羧基、羟基)可能与铂配合物中的配体发生交换反应;

　　(3)疏水相互作用：铂配合物中的有机部分(甘氨酸)与活性炭的石墨烯基底之间存在疏水作用;

　　(4)π-π堆积：芳香性配体与活性炭的sp^2碳网络之间的相互作用。

　　研究观察到升温有利于吸附，表明该过程可能包含化学吸附成分，而不仅仅是物理吸附。此外，活性炭经过氢氧化钠活化处理后(TU60炭)对铂表现出更高选择性，这可能源于表面官能团的优化，创造了更利于铂配合物吸附的微环境。

　　环境效益分析

　　与传统氰化物和酸性氯化物系统相比，碱性甘氨酸体系结合活性炭吸附技术具有显著环境优势。甘氨酸作为一种天然氨基酸，具有可生物降解、无毒和价格低廉的特点，大幅降低了处理过程和残余液的环境风险。

　　在资源可持续性方面，该技术为铂的循环利用提供了新途径，符合欧盟关键原材料和循环经济战略中关于提高铂族金属回收率的目标。活性炭作为吸附剂，本身可多次再生使用，或在饱和后通过焚烧直接回收铂富集物，实现废物最小化。

　　从能源消耗角度，该技术可在相对温和的条件下(如中等温度、常压)实现高效铂回收，避免了传统高温冶金过程的高能耗问题。此外，研究证实该系统在较宽pH范围(8-12)内均能保持高效，减少了精确pH控制的能耗和化学品消耗。

　　应用前景

　　基于活性炭的碱性甘氨酸铂吸附技术在多个领域具有应用潜力：

　　工业废水处理：该技术特别适用于处理低浓度含铂废水，如电镀、催化制造和化工过程产生的废水，能有效回收有价金属并达标排放。

　　电子废弃物回收：随着电子废弃物数量激增，从废旧电路板、硬盘等电子元件中回收铂成为可能，该技术提供了一条环境友好的回收路径。

　　矿业冶金工艺：可作为现有铂提取工艺的补充或替代方案，尤其适用于处理复杂多金属矿石，其高选择性有助于提高铂的纯度和回收率。

　　城市矿山开发：从汽车催化转化器等含铂废弃产品中回收铂，减少对原生矿产的依赖。

　　未来研究可聚焦于开发特异性更高的改性活性炭，如氧化活性炭、复配合剂活性炭等，以进一步提升吸附选择性和容量。此外，工艺集成与优化也是重要方向，包括吸附柱连续操作参数、活性炭在线再生技术以及铂的高效解吸方法等。

　　本研究系统评估了活性炭从碱性甘氨酸溶液中吸附铂的性能，得出以下结论：

　　1.在优化条件下，活性炭对铂的吸附效率可达95%以上，证明该技术具有工业应用潜力。

　　2.各操作参数对吸附效率的影响程度不同，其优化范围分别为：活性炭用量1.0-1.5g/L、温度60-80℃、pH10-12、甘氨酸浓度0.1-1.0M、氰化物浓度0.1-0.2M、初始铂浓度25-100mg/L。

　　3.与传统的酸性氯化物和氰化物系统相比，碱性甘氨酸-活性炭组合具有显著环境优势，为铂回收提供了一种更可持续的选择。

　　4.活性炭在该体系中对铂的吸附可能是多种机制共同作用的结果，包括静电吸引、配体交换和疏水相互作用等。

　　本研究为开发新一代铂回收技术提供了科学依据，未来工作应侧重于工艺放大和改性活性炭的开发，以进一步提升该技术的经济性和环境效益。

本文链接：http://www.hyhxt.net/hangye/hy1340.html

查看更多分类请点击：公司资讯    行业新闻    媒体报导    百科知识