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活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

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活性炭對鈧和釹的吸附性能
文章作者:韓研網(wǎng)絡(luò)部 更新時(shí)間:2017-12-12 15:31:41

  活性炭對鈧和釹的吸附性能,本次研究的目的是研究活性炭對鈧(Sc)和釹(Nd)這兩種稀土元素(REEs)對的吸附,活性炭使用木屑為前體材料制成,并且采用X射線衍射(XRD),掃描電子顯微鏡(SEM),變換紅外光譜(FTIR)和熱重(TG)分析等技術(shù)對活性炭炭進(jìn)行表征,零電荷點(diǎn)(pH PZC)也被確定。實(shí)驗(yàn)條件為:吸收濃度1-10 g·L -1,溶液稀土元素濃度20 mg·L -1,接觸時(shí)間平衡24小時(shí),溫度25℃,攪拌速度350轉(zhuǎn)/分鐘。還做了活性炭的效率與普通炭的效率相比較。

  稀土元素(REE)是17種化學(xué)元素的組合,與金,銀和鉑相比,在地殼中更豐富。但是,由于它們不是以集中形式存在,所以它們的提取是具有挑戰(zhàn)性的。雖然稀土元素的使用量很小,但是它們對生產(chǎn)多種器件(包括移動電話,計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動器,熒光燈泡,催化劑,磁鐵,冰箱和其他日常用品)中所使用的元件至關(guān)重要。它們也被用于飛機(jī),混合動力汽車,電動汽車和風(fēng)力渦輪機(jī)等。在幾個高科技行業(yè),清潔能源和更高效的運(yùn)輸和通訊系統(tǒng)生產(chǎn)更復(fù)雜的設(shè)備的需求表明,這些元素的需求可能在未來幾年迅速增加。所以現(xiàn)在它們的經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高。

  活性炭是固體,多孔的和富含碳的材料,大多原材料為生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的,并且通過高溫蒸汽或者化學(xué)活化而成的;钚蕴康男阅苤饕Q于原料的組成,熱處理的類型和使用的溫度。可作為土壤改良劑,用于改善骨料的穩(wěn)定性,陽離子交換能力,保水性和通氣性。此外,它被認(rèn)為是一種可再生能源,并且由于碳的高度穩(wěn)定性,它有助于土壤中的固碳和緩解全球變暖。因此,通過它的多種用途,活性炭可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物物價(jià)穩(wěn)定措施,保存資源,經(jīng)濟(jì)的改善尤其是在退化地區(qū)和整體可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。所以這次研究活性炭吸附鈧和釹,我們采用了幾種分析技術(shù)通過化學(xué)模型確定溶液中Sc和Nd物種的形態(tài),提供動力學(xué)和平衡數(shù)據(jù),并討論潛在的吸附機(jī)理。

  實(shí)驗(yàn)材料的制備

  在本研究中用作的活性炭粒度為1.5-4.0mm。所作為對比物的生物炭在350和550℃下經(jīng)受緩慢熱解鋸末生產(chǎn)的(分別為Sd350和Sd550)。過程為使用少量原料進(jìn)行熱解,例如放置50g在改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室爐中的瓷囊。保留時(shí)間為60分鐘,加熱速率保持在10℃·分鐘-1。N 2氣體以100 mL·min -1的速率加入爐中60 min去除空氣。

  進(jìn)行地球化學(xué)建模,以確定水溶液中Nd和Sc物種的形態(tài)。為了從其他來源獲得的附加溶解度數(shù)據(jù)擴(kuò)展以增加可靠性。含水地球化學(xué)模擬使得能夠計(jì)算主要的Nd和Sc物質(zhì),并通過在吸附實(shí)驗(yàn)中的特定條件(pH,濃度和組成)下使用飽和指數(shù)(SI)來確定溶解度控制相,這項(xiàng)研究。相飽和指數(shù)計(jì)算為SI = log(IAP / Ksp),其中IAP是在不同pH值下相關(guān)反應(yīng)的離子活性產(chǎn)物,Ksp是溶解度產(chǎn)物常數(shù)。飽和指數(shù)大于零表示過飽和,低于零表示飽和度不足,接近零的值表示與礦物相平衡。

  圖1、鋸末(×200)(a),生物炭(b)和活性炭(c)的SEM-BSI圖像。

  圖中顯示了活性炭和對比材料的SEM背散射電子圖像(BSI)。可以看出,活性炭其表面上具有排列良好的孔隙。然而,由于高分子量揮發(fā)物的釋放,鋸末的纖維結(jié)構(gòu)在熱解后被改變,這影響了孔的數(shù)量和直徑,觀察到尺寸為9-16μm的較小的孔和尺寸為21-48μm的較大的孔。這也表明,形成了幾個良好的方向微孔與尖銳和彎曲的邊緣形成?紫堵试黾,由于脂族C結(jié)構(gòu)與芳族C結(jié)構(gòu)變換。

  圖2、2000×時(shí)的SEM顯微照片和分別在Nd(a,b)和Sc(c,d)吸附后的活性炭的相應(yīng)EDS光譜。

  活性炭吸附后表面形貌也發(fā)生改變。圖2a、c表示存在幾個不同形狀和大小的亮點(diǎn),廣泛分布在其孔隙中。值得注意的是,在所有的實(shí)驗(yàn)中,兩種研究吸收劑的EDS光譜都顯示出比Sc更高的Nd負(fù)載量。這一結(jié)果與動力學(xué)研究中所見的Nd吸附趨勢一致。

  表1:提供了不同吸附劑濃度下活性炭和生物炭對Sc和Nd吸附量的百分比和速率(mg·g -1),范圍從1-10 g·L -1。如前所述,溶液中稀土元素的初始濃度為20 mg·L -1。溶液的pH保持恒定在3,24小時(shí)后達(dá)到平衡。

吸附劑 吸附劑濃度 (g·L -1 %Nd吸附 Nd吸附率(mg·g -1 %Sc吸附 Sc吸附率(mg·g -1
生物炭 1 40.2 8 37.9 7.5
2 47.1 4.7 39.7 4
5 61.5 2.5 47.9 1.9
10 78.6 1.6 52.3 1.1
活性炭 1 44.2 8.8 42.6 8.5
2 55.0 5.5 46.3 4.6
5 68.5 2.7 62.0 2.5
10 87.9 1.8 76.8 1.5

  結(jié)果表明,在所有吸附劑濃度(1,2,5和10 g·L -1)下,活性炭對Nd和Sc的吸附效率最高,在最高濃度時(shí)達(dá)到近88%和77% g·L -1)。因?yàn)榛钚蕴勘绕渌牧暇哂写蟮枚嗟谋缺砻娣e(912.10米2 · 克-1)相比生物炭Sd350(4.71米2 · 克-1),計(jì)算的吸附百分比與每種吸附劑的表面積不成正比。對于這兩種吸附劑,顯示出的Nd相比鈧吸附最高傾向,這可能是離子半徑較大的結(jié)果。最后,兩種吸附劑對Nd和Sc的吸附速率非常相似,隨著吸附劑濃度的增加,吸附量減小。

  本研究結(jié)果表明,活性炭比其他材料更好的吸附水溶液中的稀土元素,如釹和鈧。動力學(xué)數(shù)據(jù)表明,吸附符合偽二級動力學(xué)反應(yīng),而平衡數(shù)據(jù)表明其符合Freundlich等溫線模型。主要的吸附機(jī)理包括化學(xué)吸附和離子交換。選擇最有效的活性炭和最佳的實(shí)驗(yàn)條件,使其達(dá)到最大的吸附效率應(yīng)該基于地球化學(xué)模擬和形態(tài)分析的結(jié)果,以及pH值PZC的測定。

  從農(nóng)業(yè)和其他廢棄物開發(fā)廉價(jià)高效的吸附劑是一個有趣的研究問題,因?yàn)樗鼈兊纳a(chǎn)促成了廢物的增值,并符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的原則。根據(jù)本研究的結(jié)果,提出進(jìn)一步研究需要:(1)評估不同農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)的活性炭的吸附效率,(2)通過不同類型的熱解來優(yōu)化活性炭生產(chǎn),以平衡產(chǎn)率和工藝經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)改善其性質(zhì)(例如,結(jié)構(gòu),孔隙率,表面積,特定官能團(tuán)和可用活性吸附位點(diǎn)的存在),(3)確定可能影響pH PZC的表面改性的效果 并能夠在更寬的pH范圍內(nèi)吸附稀土元素。

文章標(biāo)簽:椰殼活性炭,果殼活性炭,煤質(zhì)活性炭,木質(zhì)活性炭,蜂窩活性炭,凈水活性炭.

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