活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　如今，稀土元素在永磁体，磷光灯，镍氢可充电电池和催化剂等几种应用中起着重要的作用。随着混合动力汽车，电动汽车，风力涡轮机和紧凑型荧光灯的日益普及，导致稀土元素的需求和价格上涨，因为稀土元素的几种化合物都是智能电池生产的基本原料。其中，钕(Nd)，铕(Eu)，铽(Tb)，镝(Dy)和钇(Y)被认为是五个关键的稀土元素。预计在接下来的25年中，对Nd和Dy的需求将分别增长700%和2600%。另一方面，技术的发展增加了电子废物的倾倒，会使得大量的这些元素以及其他几种有毒元素释放到地下土壤和地下水中。因此，对不同吸附过程的研究是完全相关的。在各种不同的方法来消除污染物，吸附到不同的碳质材料是一种可行的选择，因为它的简单性和成本效益比较优秀。如今，最常用的从水中去除污染物的吸附剂是活性炭，其特点是孔隙率高，表面积大，表面反应性高。这期我们将描述了镝离子在水溶液中吸附到两种活性炭上的物理化学研究。

　　对吸附材料的分析

　　首先我们通过扫描电子显微镜(SEM)使用SEM技术分析了活性炭的表面特性。可以清楚地观察到不同的形态。化学活性炭(图1a )显示出均一的表面形态，并具有大量的孔，这是由于活化剂与活性炭前体表面之间的化学相互作用引起的。另一方面，活性炭(图1b)的多孔性不如上述情况，具有物理活性炭典型的点蚀和裂纹表面。

　　图1：(a)化学活化活性炭和(b)物理活化活性炭样品的SEM显微照片。

　　接着再通过拉曼光谱法对两种活性炭进行表征。拉曼光谱法是一种用于活性炭材料的有用技术，因为光谱形状不仅由于活性炭的同素异形体种类丰富而急剧变化，而且还由于单个同素异形体的精细结构变化而引起。从这个意义上讲，多晶石墨表现出两个尖峰：G带和D带。这些带通常分别归因于E 2g和A 1g面内振动模式，碳材料的石墨化度通常由I G/I D表征。拉曼光谱中的值。在图2中示意性地示出了两种振动模式。在该方案中的部分A中，呼吸模式A 1克(d波段)被示出，而B部分示出了振动模式E中(G带)。

　　图2：振动模式的方案：(a)呼吸模式A 1g(D峰值)和(b)振动模式E 2g(G峰值)。

　　活性炭对镝离子的吸附实验

　　我们系统的研究了三种不同参数对两种类型的活性炭吸附能力的影响：溶液的pH值，镝离子浓度和活性炭量。

　　溶液pH值的影响：为了分析溶液pH值对吸附过程的影响，在三个不同的pH值(3至5)下进行了实验。为此，将30mg活性炭加入到含有5mg·L -1镝离子离子的200mL溶液中。两种活性炭在不同pH值下的吸附量与接触时间的关系图如图3所示。

　　图3：溶液pH值对两种活性炭的影响。

　　浓度的影响：研究了浓度为2.5、5和10 mg/L以及固定量(30 mg)活性炭的三种溶液对浓度的影响。所有实验均在室温下进行，结果如图4所示。

　　图4：浓度对吸附百分率的影响。

　　活性炭量的影响：最后，研究了活性炭吸附量的影响。将浓度为5 mg·L -1的镝溶液与不同量的两种活性炭(5、15、30和60 mg)接触。结果绘制在图5中。

　　图5：吸附百分数随活性炭吸附量的变化。

　　至于其他参数，对于物理活化活性炭获得较好的结果。如所期望的，吸附剂的量越大，吸附百分比越大。但是，两种样品的行为有很大不同。对于物理活化活性炭，当活性炭量从5 mg增加到15 mg时，吸附百分比急剧增加(从57%增加到99%)。然后，它实际上与吸附剂的量保持恒定。但是，对于化学活化活性炭，吸附在很大程度上取决于吸附剂的量，从10%(活性炭5 mg)到96%(活性炭60mg)。仅最大吸附量的吸附百分比与物理活化活性炭相当，即使在这种情况下，达到相似吸附百分比所需的时间也更长。

　　吸附实验表明，溶液pH的变化对活性炭的吸附有很大影响，在pH为4时获得较大的吸附。如预期的那样，溶液镝浓度的降低会增加吸附百分比。另外，在化学活性炭的情况下，镝吸收量随着吸附剂量的增加而逐渐增加。在物理活性炭的情况下，没有观察到这种效果，其中除了使用的最低量外，吸附百分比实际上保持恒定。最后，温度的变化稍微改善了吸附过程。尽管如此，物理活性炭在所有情况下都表现出很强的吸附能力。

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