活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭对吡啶的吸附研究，吡啶是一种无色易燃液体，具有难闻的气味，广泛用于制造精细化学品(如药物，维生素，染料)，农用化学品等。因此，在工业废水中常见，导致环境污染问题。这促使人们开发了一些方法去除水溶液中的污染物，如生物降解，臭氧化，吸附等。

　　在吸附系统中，活性炭是用于从水溶液中去除有机化合物的最有效的吸附剂之一。活性炭对控制几种芳香族污染物(挥发性有机化合物，酚类，农药和除草剂)的最佳可行技术之一。此外，据报道，活性炭可以有效地从水溶液中除去吡啶。

　　活性炭等多孔材料的整体吸附速率包括三个连续的步骤：外部质量传递，颗粒内扩散和固体基质活性位点的吸附。颗粒内扩散可能是由于孔体积扩散，表面扩散或两种机制的组合。孔体积扩散是指由于流体相中的浓度梯度(即分子机理)引起的被吸附物的移动，但是受多孔基质的几何形状的影响。对于稀溶液，孔体积扩散仅取决于分子扩散系数和微尺度相的空间分布。后一种概念定义了多孔介质的几何特性，如孔隙度和曲折度。表面扩散是指被吸附物通过固体表面的运动，也受到相分布的影响; 主要驱动力是表面浓度梯度。

　　在像活性炭这样呈现层次结构的许多系统中，主要挑战之一是对便捷的观察范围的理论描述。因此，对于设计和建模而言，宏观平均量是足够的，但是为了考虑尺寸较小的物理尺寸，需要一个放大的方法。一个标准的程序是在许多类型的运输问题中使用的体积平均法。在考虑均相两相多孔介质中的线性等温线的情况下对溶质的扩散和吸附输运进行了理论上的升级，并报道了用于预测有效性质的相关闭合问题。随后，将散装和表面反应的效果纳入了包装棉线染色的研究中，并报道了预测有效性能的关联问题。尽管如此，反应条件对有效性质(如有效扩散率)的影响尚不清楚，并且已经在文献中进行了一些努力以深入了解这个问题。

　　在这篇内容中，从放大过程的角度研究了吡啶在活性炭上的吸附问题，并确定了相应的有效输运性质。通过体积平均方法研究微观尺度上的现象。因此，宏观上的控制方程被获得，以有效性质表示。这些方程被用来解释实验数据和预测孔隙和表面有效扩散率。为此，假设微观结构具有简单的几何形状(圆柱体和球体的有序介质)或者从SEM(扫描电子显微镜)显微照片处理的图像获得。此外，作为粗略估计，报道了点表面扩散率。

　　吸附平衡数据

　　使用500mL的锥形瓶作为分批吸附剂以获得实验吸附平衡数据。将已知负荷活性炭的尼龙网袋放入烧瓶中，然后加入吡啶溶液。吸附过程是恒温并持续搅拌。吡啶在活性炭上的实验吸附平衡数据如下获得。将具有1g 活性炭和480mL吡啶溶液的尼龙网袋(在pH = 10时具有已知的初始浓度)加入到批量吸附器中。在不同pH值和温度下活性炭上吡啶的吸附平衡。在pH10时，活性炭对水溶液中吡啶的吸附能力最高。因此，选择该pH值来研究活性炭上的吡啶吸附速率。

　　初始吡啶浓度从20到1000mg / L不等。吡啶溶液保持与活性炭颗粒接触直至达到平衡。定期测量溶液的pH值，并通过适当添加0.01和0.1M的HCl和NaOH溶液保持恒定。达到平衡后，通过分光光度法测定溶液中的吡啶浓度，通过使吡啶质量平衡计算平衡吸附的吡啶质量。在之前没有活性炭的运行中，证明吡啶不吸附在尼龙袋上。

　　水溶液中吡啶浓度的测定

　　通过UV-可见光谱测定水溶液中的吡啶浓度。使用UV-160分光光度计在249.5nm的波长下测量吡啶溶液的吸光度。因此，用浓度范围为10-50mg / L的五种标准吡啶溶液制备的校准曲线(吸光度对浓度)估算样品的吡啶浓度。

　　获取吸附数据的方法

　　使用旋转的篮式批次吸附器来获得吡啶在活性炭上的吸附浓度分布。吸附器由1L三颈反应烧瓶和叶片替换为不锈钢筐的叶轮组成。将吡啶溶液倒入吸附器中，并将活性炭颗粒置于连接到与变速电动机连接的轴上的不锈钢网篮中。将吸附器部分浸入恒温水浴中。

　　通过适当地混合0.01N HCl和NaOH溶液来制备pH = 10的溶液(800-980mL)并加入到吸附器中。根据实验，将含有活性炭(1-5g)的篮子置于几个转速条件(100,150,200rpm)下。通过适当地添加0.01和0.1N NaOH溶液来控制溶液的pH。溶液和活性炭保持接触直到温度和pH保持恒定。随后，关掉搅拌器，迅速将已知浓度为pH = 10的吡啶溶液的等分试样倒入吸附剂溶液中，以获得所需的初始浓度。加完后，溶液的总体积为1L。马上启动叶轮马达和计时器。用pH计监测溶液的pH值，并如上所述进行调整。加入的NaOH溶液总体积小于2mL，占总体积的0.1%。定期取样溶液(5mL)并分析以确定吡啶浓度。取样时间分别为0,1,3,5,10,15,20,25,30,40,50,60,90,120,150和180分钟。取样后立即加入5mL补充溶液使吸附剂溶液(1L)的总体积保持恒定。补充溶液的浓度是平衡时初始浓度和最终浓度的平均值。该添加的目的是取代样品中取出的吡啶的质量。

　　图像处理和数值解决方案

　　通过扫描电子显微镜使用2400倍放大倍数检查活性炭的形态。使用图像处理工具箱处理图像。程序如下。首先，通过将灰度转换为灰度(从0(黑色)到255(白色)]来改善黑暗和光照区域之间的对比度。由于深色区域在视觉上指示深刻，所以假设这些代表孔隙占据的部分，而浅色区域与固体基质(活性炭)有关。这个想法一点，每个象素的灰度值被跟踪(来自黑色)，并累积，得到体积分数 ε γ 的较暗的像素。其次，具有等于或小于阈值的值的所有像素被转换成白色(被孔占据的空间)，而具有较高值的​​像素被转换成黑色(实心矩阵)。最后，为了增强轮廓的定义，应用滤波器。这个程序允许我们获得最终的二值图像，其中白色和总像素数之间的比率等于活性炭的孔隙率。事实上，来自SEM显微照片的处理图像提供了解决闭合问题的领域。

　　从整个研究看来活性炭吸附吡啶的浓度衰减曲线。发现总有效扩散系数是平衡时吡啶浓度的增函数，主要是由于有效表面扩散与孔体积扩散相比贡献较大。另外，通过使用简单的微结构几何模型，可以粗略地估计点表面扩散系数。

本文链接：http://www.hyhxt.net/hangye/hy556.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