田萌 MAC吸附Cr6+的热力学研究 初稿

煤质磁性活性炭吸附Cr6+离子吸附等温线测定 Determination of Adsorption Isotherm of Cr(VI) onto Magnetic Coal-Based Activated Carbon 田萌1 东赫1 王芳1 解强1 1中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京，100083 Tian Meng1 , Dong He1 , Wang Fang1 , Xie Qiang1 1 Chemical and Enviro nmental Engineering Inst itute, China Univ er sity o f Mining & Technolog y, Beijing 100083 摘要：以煤质磁性活性炭为吸附剂吸附溶液中Cr6+，采用二苯碳酰二肼反应分光光度法测定吸附前后溶液中铬离子的浓度，计算不同温度、不同金属离子浓度下活性炭对铬离子的吸附量，绘制活性炭在不同温度下对溶液中Cr6+的吸附等温线，作为确定磁性活性炭对Cr6+的吸附容量、应用吸附法净化含重金属离子废液技术的基础。结果表明：煤质磁性活性炭对Cr6+的饱和吸附量为90.09mg/g，吸附效果远远高于目前国内的部分商品活性炭。煤质磁性活性炭对Cr6+的吸附量随温度的升高而增大，吸附过程为自发的吸热过程，且以物理吸附为主。 关键词：煤质磁性活性炭；Cr6+离子；吸附等温线 第七届“挑战杯”首都大学生课外学术科技竞赛作品

1 目录 1 实验 ............................................................................................ 2 1.1 试剂与仪器 .......................................................................... 2 1.3 溶液中Cr6+浓度的测定 ....................................................... 3 1.3 吸附等温线的测定 .............................................................. 3 1.4 热力学函数值的计算 ........................................................... 3 2 结果与讨论 ................................................................................ 4 2.1磁性活性炭的表征 ................................................................ 4 2.2 Cr6+浓度标准曲线 ................................................................. 4 2.3 确定炭液比例 ....................................................................... 5 2.4 吸附等温线 ........................................................................... 5 2.5 热力学函数 ........................................................................... 7 3 结论 ............................................................................................ 7 参考文献 ........................................................................................ 7 第七届“挑战杯”首都大学生课外学术科技竞赛作品

2 0 引言 Cr6+是电镀废水中常见的重金属离子，毒性强，少量Cr6+会引起恶心、腹泻、皮炎，过量Cr6+会导致肝脏、肾脏的癌症、内出血及呼吸道疾病[1-4]。美国环保局（EPA）规定饮用水中Cr6+浓度需控制在100g/L[1]。 目前，重金属离子的脱除有离子交换法，电化学还原法，溶剂萃取法，反渗透法，化学沉淀法，吸附法，其中，以活性炭作为吸附剂的吸附分离法原料丰富，工艺简单，是较经济实用的方法。活性炭具有发达的孔隙结构，巨大的比表面积，催化活性等性质，使其对重金属的脱除成为国内外的研究热点之一[5-7]。然而，吸附后的活性炭无法回收，重金属的污染仍没有消除。磁性活性炭可利用磁选分离[8-10]，是解决回收难题的有效途径，并且，该方法价格低廉，效果明显。因此，磁性活性炭吸附Cr6+的热力学研究对确定其吸附效率，拓展其在水处理领域的应用有着重要的意义。 本文以煤基磁性活性炭[14-17]为吸附剂，用二苯碳酰二肼分光光度法测定Cr6+浓度，测定磁性活性炭在不同温度下对Cr6+的吸附等温线，确定吸附容量及热力学函数值，为煤基磁性活性炭在重金属废水处理中的应用研究提供理论依据。

1 实验 1.1 试剂与仪器 主要试剂有：硫酸(H2SO4，ρ=1.84g/ml，优级纯)，磷酸(H3PO4，ρ=1.69g/ml，优级纯)，重铬酸钾（K2Cr2O7，优级纯），二苯碳酰二肼(C13H14N4O，分析纯)，丙酮（C3H6O，分析纯），氢氧化钠（NaOH，分析纯），酚酞（分析纯），乙醇（95%，分析纯）。 研究用到的主要仪器有：紫外-分光光度计（UV-9600型）；恒温水浴振荡器（SHZ-88型）；超声波清洗器（KQ5200B型）；托盘天平（JP-500型）；电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9035A型）；HY-4型调速多用震荡器；电子天平（FA1004型）；150mL锥形瓶；25mL刻度试管；移液管；酸式滴定管；碱式滴定管；瑙研钵；灰皿若干；铁架台。 1.2磁性活性炭预处理 将煤基磁性活性炭（比磁化系数为6.89×10-6m3/kg，可用强磁选机回收）用去离子水洗涤，于105℃在电热恒温鼓风干燥箱中放置24h，干燥后磨至过200目筛，洗涤干燥24h。 第七届“挑战杯”首都大学生课外学术科技竞赛作品 3 1.3 溶液中Cr6+浓度的测定 1.3.1 铬标准溶液的制备 称取于110℃干燥2h的重铬酸钾(K2Cr2O7，优级纯)0.2829±0.0001g，用水溶解后，移入1000ml容量瓶中，用水稀释至标线，摇匀，制得标准储备液，此溶液1ml含0.10mg六价铬。称取5.00ml铬标准贮备液置于500ml容量瓶中，用水稀释至标线，摇匀，制得铬标准溶液，此溶液1ml含1.00μg六价铬，使用当天配制此溶液。 1.3.2 二价铁的消除 取适量样品(含六价铬少于50μg)于50ml比色管中，用水稀释至标线，加入4ml显色剂(称取二苯碳酰二肼2g，溶于50ml丙酮中，加水稀释至100ml，摇匀，贮于棕色瓶，置冰箱中)，混匀，放置5min后，加入1ml硫酸溶液(1+1)摇匀。5～10min后，在540nm波长处，用10或30mm光程的比色皿，以水做参比，测定吸光度。 1.3.3标准曲线的测定 向一系列50ml比色管中分别加入0、0.20、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00和10.0ml铬标准溶液，用水稀释至标线。加入0.5ml硫酸溶液(1+1)和0.5ml磷酸溶液(1+1)，摇匀。加入2ml显色剂(称取二苯碳酰二肼0.2g，溶于50ml丙酮中，加水稀释至100ml，摇匀，贮于棕色瓶，置冰箱中)，摇匀。5～10min后，在540nm波长处，用10或30mm的比色皿，以水做参比，测定吸光度，从测得的吸光度减去空白试验(用50ml水代替试样)的吸光度后，绘制以六价铬的浓度对吸光度的曲线。

1.3 吸附等温线的测定 配置200mg/L的重铬酸钾溶液，取50ml置于不同的150ml锥形瓶中，分别加入0.2g, 0.4g, 0.6g, 0.8g样品，置于恒温振荡箱中，在25℃，150rpm条件下振荡24h，确定吸附饱和时所需的活性炭质量。 配置不同浓度（20-500mg/L）的重铬酸钾溶液，分别取50ml浓度为20, 50, 100, 200, 300, 400, 500mg/L的重铬酸钾溶液置于150ml锥形瓶中，加入一定质量的磁性活性炭样品，在不同温度（25, 35, 45℃），恒温振荡24h后过滤，测定滤液浓度，计算活性炭Cr6+吸附量，绘制吸附等温线，与常用吸附等温式公式（1） (2) 进行拟合，根据Langmuir吸附等温式求出磁性活性炭在不同温度下对Cr6+的吸附容量。

1.4 热力学函数值的计算 第七届“挑战杯”首都大学生课外学术科技竞赛作品 4 将不同温度下测得的吸附等温线数据对公式 (3)进行拟合：以1/T(K-1)为横坐标，lnKd(Kd=qe/Ce)为纵坐标，绘制拟合曲线。根据截距和斜率求得熵变△S和焓变△H，根据公式 (4)求得不同温度下吸附过程的吉布斯函数值△G。根据热力学函数值初步分析磁性活性炭对Cr6+吸附过程的机理。

2 结果与讨论 2.1磁性活性炭的表征 表1 MAC的磁性能参数 样 品 比饱和磁化强度 / emu·g-1 剩磁 / emu·g-1 矫顽力 / G 比磁化系数 / (10-6m3 /kg)

MAC 4.6296 1.0538 238.50 5.89 磁选分离范围为：1.26×10-7～7.5×10-6 m3·kg-1（外磁场强度为800～1600KA/m） 表2 MAC比表面积、孔容及吸附性能 SBET /m2.g-1CC Vt /cm3.g-1 Vmic /cm3C.g-1 Vmeso /cm3.g-1 Vmic/Vt /% Vmeso/Vt /% 碘值 /mg.g-1 亚甲蓝值 /mg.g-1 832.7 0.507 0.322 0.185 63.5 36.5 891.7 151.4

由表1可以看出，MAC的比磁化系数为5.89。 由表2可以看出MAC的的中孔率为36.5，微孔率为63.5，因此微孔发达。活性炭的碘值和亚甲蓝值可以反映其微孔和中孔的发达程度。从表2可以看出，煤质磁性活性炭中的碘值和亚甲蓝值分别为891.7和151.4，说明煤质磁性活性炭的微孔和中孔都较发达。