氮掺杂活性炭的制备及其吸附金-硫代硫酸根配离子的动力学研究

2023-08-05张汉泉路漫漫

湿法冶金 2023年4期

谢蕾,张汉泉,路漫漫,余洪

(武汉工程大学资源与安全工程学院,湖北武汉 430074)

1 材料与方法

1.1 试剂、仪器及设备

试剂:椰壳活性炭,粒级为0.45～0.90 mm,巩义市北山口鸿昌净水材料厂;金粉、四硫磺酸钠二水合物,购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;盐酸、硝酸和过氧化氢,分析纯,购自西陇科学股份有限公司;三聚氰胺、甲醇、五水合硫酸铜、硝酸铅、硫酸锌、氨水、五水合硫代硫酸钠,均为分析纯,购自国药集团化学试剂有限公司。

仪器设备:恒温水浴振荡器、ER-35F型电热恒温加热板(常州诺基仪器有限公司),FA224型电子天平(上海舜宇恒平科学仪器有限公司),SHZ-D(Ⅲ)型循环水式真空泵(巩义市英峡予华仪器厂),UPH-I-10T型优普超纯水器(四川优普超纯科技有限公司),雷磁PHS-3C型pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司),KSL-1200X-H型小型烧结炉(合肥科晶材料技术有限公司),TAS-990AFG型原子吸收分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)。

1.2 热活化氮掺杂改性活性炭的制备

取洗净烘干的椰壳活性炭放入烧杯中,加入甲醇/三聚氰胺溶液浸渍,三聚氰胺用量为活性炭质量的3.75%。将烧杯置于恒温振荡器中振荡,直至溶液蒸干,得氮掺杂改性活性炭。

用超纯水清洗过滤,在鼓风干燥箱106 ℃下干燥10 h,冷却装样。取氮掺杂活性炭样品2 g,在氮气气氛下,用管式气氛炉以10 ℃/min加热到750 ℃,热活化1 h,冷却后得热活化氮掺杂改性活性炭(AC-N)。

1.3 含金模拟浸出液的制备

1.4 金吸附量测定

(1)

式中:qt—吸附t时间时吸附量,μg/g;ρ0、ρt—初始金质量浓度、吸附t时间时金质量浓度,μg/mL;m—吸附剂质量,g;V—溶液体积,mL。

1.5 吸附动力学试验

称取一定量AC-N于模拟浸出液中,金质量浓度10 mg/L,Na2S2O3浓度0.1 mol/L,在温度35 ℃、振荡速度140 r/min条件下振荡。取样并分析测定金浓度,得到AC-N对金的吸附量(qt)。利用3种动力学模型对吸附动力学曲线进行拟合,吸附速率和吸附机制有3个连续的过程,包括从表面向外部扩散、向孔及颗粒内部扩散,以及在表面活性位点的吸附[10]。

准一级动力学模型应用于物理吸附,可用于描述初始阶段的吸附过程,模型公式[11]为

ln(qe-qt)=lnqe-k1t。

(2)

式中:k1—准一级吸附速率常数,h-1;qe—平衡吸附量,μg/g;qt—吸附t时间时的吸附量,μg/g;t—吸附时间,h。

准二级动力学模型以化学吸附控制吸附速率为主,可用于描述整个吸附过程,模型公式[12]为

(3)

式中:k2—准二级吸附速率常数,g/(μg·h);qe—平衡吸附量,μg/g;qt—吸附t时间的吸附量,μg/g;t—吸附时间,h。

粒子内扩散动力学模型可描述吸附质在吸附剂内部的扩散过程,用于进一步分析孔道扩散和速率控制过程,模型公式[13]为

qt=kpt0.5+C。

(4)

式中:kp—内扩散速率常数,mg/(g·h0.5);C—截距,μg/g,大小与边界层厚度相关。

2 试验结果与讨论

2.1 改性活性炭AC-N的表征

改性活性炭AC-N的孔隙相关系数见表1,SEM和EDS能谱分析结果如图1、2所示。

a—×5 000;b—×500。图1 AC-N的SEM分析结果

表1 AC-N孔隙的相关参数

由表1、图1看出:改性活性炭AC-N表面凹凸不平,由互相连接的孔隙结构组成,孔结构呈珊瑚状,分布均匀,塌陷堵塞的孔隙较少,微孔结构占比较大,表面附着的灰分少,比表面积较大。由图2看出:AC-N主要是由C、N、O、P等元素组成,C质量分数最高,为94.93%,O、Ca和P质量分数分别为3.62%、0.94%和0.40%。