活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭吸附液体中镍的研究

　　镍是一种天然存在的重金属，以各种矿物质形式存在。广泛用于电子和冶金行业，特别是电镀，镍镉电池，印刷电路板，液晶显示器等，通过燃料燃烧，冶炼，污水，和固体废物进入环境中。由于难以通过常规处理方法进行处理，因此从废水中去除金属是一个主要问题。为了保护环境我们研究了活性炭从水中吸附镍的物理化学条件进行了测试。

　　吸附技术的可在从水溶液中去除可溶性重金属离子，对于合成染料分子和其他有毒化学物质方面处理非常出色。由于吸附是一种经济，效果好且易于实施的方法，因此它的实施使其成为常规处理工艺的替代方案。活性炭是一种常用的吸附剂，主要由含碳材料制成，具有改善的孔隙率以吸附化学离子。其内表面面积和相对较高的机械强度，使其适合从废水中除去重金属。由于吸附技术的进步，对活性炭的需求猛增，并且随着需求的提升，高指标的活性炭成本上升。所以我们需要研发出低成本好用的活性炭来解决这方面的环保问题。

　　间歇平衡实验

　　使用了分析级的硝酸镍储备溶液，并使用适量的储备溶液制备了六个烧杯，分别储存10、30、50、70、100和120mg/L浓度的镍溶液。使用0.5M HCl和pH计将pH调节至3.0。通过将100mg活性炭置于100 ml镍溶液中，使用完全混合间歇式反应器来研究水中镍的吸附。对于炭化材料和未炭化材料，分批吸附是在30°C，35°C和40°C的温度下进行的，搅拌时间分别为5、10、20、40、60、90和120分钟。对于使用0.5M NaOH缓冲溶液将相同浓度的镍溶液调节至pH9的情况，重复相同的步骤。在平衡状态下通过用滤纸过滤将吸附剂从溶液中分离出来。使用原子吸收光谱仪确定镍离子的平衡浓度。

　　活性炭对镍的吸附化学成分

　　低成本活性炭的前体是一种产量丰富的农业副产品，由20%至30%的纤维素组成。炭化后和未炭化分别是黑色和深棕色。XRF结果表明，未炭化原材料中的主要元素是S(83.86%)，Ti(10.08%)和Fe(3.96)，而炭化后的活性炭中的主要元素是Ca(47.16%)，K(23.82%)，S(15.69)，Fe(5.10%)，Ti(4.82%)和Mn(1.16%)。可以看出，碳化极大地降低了原材料的硫含量。结果表明，主要元素为硫，钙，钛，钾和铁。含硫化合物离子化产生亚硫酸盐，硫酸盐和硫化物。因此，这导致离子化的镍原子上的排斥电荷被中和。钙，铁和其他元素与水中的碱反应，形成不溶和微溶的氢氧化物，从溶液中沉淀出来。可以通过表面羟基和被吸附离子(阳离子或阴离子)之间的化学键(共价或离子)有效地发生吸附。

　　吸附性能

　　镍离子吸附到活性炭上是通过阳离子交换以外的其他机制完成的。图1这表明吸附方式是温度依赖性的，并且在比所研究的温度更高的温度下，吸附过程可能转变为化学吸附。另一方面，该过程倾向于在较低的pH下发生物理吸附。物理吸附所涉及的力很弱，能量需求很小。因此，很容易达到平衡并且是可逆的。

　　图1：活性炭和原料在不同pH值下的吸附能。

　　活性炭吸附镍的效率

　　在低吸附物浓度下镍的去除效率较高，而当吸附物浓度增加时，实际的金属离子吸附量增加。在pH9时，前五分钟的吸附速率非常高，然后在90分钟时缓慢达到平衡。在所有实验条件下，最低初始浓度为10mg/l时，这种行为就很明显。例如，对于pH为9且温度为30°C的活性炭，其吸附效率在5分钟时为92.31%，在90分钟时为97.85%。类似地，对于在pH3时相同的理化特性，在5分钟时的吸附效率为14.1%，在90分钟时的吸附效率为49.18%。此行为可归因于在pH9时带正电的镍离子与带负电的活性炭表面之间的亲和力高。

　　在较高的温度和pH下可获得更好的覆盖率。活性炭的表面覆盖率高于原材料(图2)。在每个实验案例中，在pH9和40°C下，原料的最大覆盖率为99.3%;在pH9和35°C下，活性炭的最大覆盖率为92%;在pH3和35°C下，活性炭的最大覆盖率为55.4%;在pH3和40°C下，原料的含量为50%。在较高的镍浓度和较高的pH值下可获得较高的表面覆盖率。表面覆盖率是溶质对活性位点利用程度的量度。因此，较高的表面覆盖率表明可用场所的利用率更高。

　　图2：不同温度和pH条件下活性炭的表面覆盖图。

　　活性炭吸附液体中镍的研究中发现活性炭比原材料具有更高的吸附能力，研究记录60分钟内pH值为9的活性炭从溶液中完全去除(100%)的镍离子。一克活性炭可以通过大部分离子交换从水溶液中去除多达120mg的镍，从而实现完全的单层覆盖。并且在碱性介质(pH9)中的吸附过程比在酸性介质(pH3)中的吸附过程更有利。随着实验证明这次开发的活性炭能更经济的从水中去除镍。

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