活性炭吸附液體中鎳的研究

　　鎳是一種天然存在的重金屬，以各種礦物質形式存在。廣泛用于電子和冶金行業，特別是電鍍，鎳鎘電池，印刷電路板，液晶顯示器等，通過燃料燃燒，冶煉，污水，和固體廢物進入環境中。由于難以通過常規處理方法進行處理，因此從廢水中去除金屬是一個主要問題。為了保護環境我們研究了活性炭從水中吸附鎳的物理化學條件進行了測試。

　　吸附技術的可在從水溶液中去除可溶性重金屬離子，對于合成染料分子和其他有毒化學物質方面處理非常出色。由于吸附是一種經濟，效果好且易于實施的方法，因此它的實施使其成為常規處理工藝的替代方案。活性炭是一種常用的吸附劑，主要由含碳材料制成，具有改善的孔隙率以吸附化學離子。其內表面面積和相對較高的機械強度，使其適合從廢水中除去重金屬。由于吸附技術的進步，對活性炭的需求猛增，并且隨著需求的提升，高指標的活性炭成本上升。所以我們需要研發出低成本好用的活性炭來解決這方面的環保問題。

　　間歇平衡實驗

　　使用了分析級的硝酸鎳儲備溶液，并使用適量的儲備溶液制備了六個燒杯，分別儲存10、30、50、70、100和120mg/L濃度的鎳溶液。使用0.5M HCl和pH計將pH調節至3.0。通過將100mg活性炭置于100 ml鎳溶液中，使用完全混合間歇式反應器來研究水中鎳的吸附。對于炭化材料和未炭化材料，分批吸附是在30°C，35°C和40°C的溫度下進行的，攪拌時間分別為5、10、20、40、60、90和120分鐘。對于使用0.5M NaOH緩沖溶液將相同濃度的鎳溶液調節至pH9的情況，重復相同的步驟。在平衡狀態下通過用濾紙過濾將吸附劑從溶液中分離出來。使用原子吸收光譜儀確定鎳離子的平衡濃度。

　　活性炭對鎳的吸附化學成分

　　低成本活性炭的前體是一種產量豐富的農業副產品，由20%至30%的纖維素組成。炭化后和未炭化分別是黑色和深棕色。XRF結果表明，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，碳化極大地降低了原材料的硫含量。結果表明，主要元素為硫，鈣，鈦，鉀和鐵。含硫化合物離子化產生亞硫酸鹽，硫酸鹽和硫化物。因此，這導致離子化的鎳原子上的排斥電荷被中和。鈣，鐵和其他元素與水中的堿反應，形成不溶和微溶的氫氧化物，從溶液中沉淀出來。可以通過表面羥基和被吸附離子(陽離子或陰離子)之間的化學鍵(共價或離子)有效地發生吸附。

　　吸附性能

　　鎳離子吸附到活性炭上是通過陽離子交換以外的其他機制完成的。圖1這表明吸附方式是溫度依賴性的，并且在比所研究的溫度更高的溫度下，吸附過程可能轉變為化學吸附。另一方面，該過程傾向于在較低的pH下發生物理吸附。物理吸附所涉及的力很弱，能量需求很小。因此，很容易達到平衡并且是可逆的。

　　圖1：活性炭和原料在不同pH值下的吸附能。

　　活性炭吸附鎳的效率

　　在低吸附物濃度下鎳的去除效率較高，而當吸附物濃度增加時，實際的金屬離子吸附量增加。在pH9時，前五分鐘的吸附速率非常高，然后在90分鐘時緩慢達到平衡。在所有實驗條件下，最低初始濃度為10mg/l時，這種行為就很明顯。例如，對于pH為9且溫度為30°C的活性炭，其吸附效率在5分鐘時為92.31%，在90分鐘時為97.85%。類似地，對于在pH3時相同的理化特性，在5分鐘時的吸附效率為14.1%，在90分鐘時的吸附效率為49.18%。此行為可歸因于在pH9時帶正電的鎳離子與帶負電的活性炭表面之間的親和力高。

　　在較高的溫度和pH下可獲得更好的覆蓋率。活性炭的表面覆蓋率高于原材料(圖2)。在每個實驗案例中，在pH9和40°C下，原料的最大覆蓋率為99.3%;在pH9和35°C下，活性炭的最大覆蓋率為92%;在pH3和35°C下，活性炭的最大覆蓋率為55.4%;在pH3和40°C下，原料的含量為50%。在較高的鎳濃度和較高的pH值下可獲得較高的表面覆蓋率。表面覆蓋率是溶質對活性位點利用程度的量度。因此，較高的表面覆蓋率表明可用場所的利用率更高。

　　圖2：不同溫度和pH條件下活性炭的表面覆蓋圖。

　　活性炭吸附液體中鎳的研究中發現活性炭比原材料具有更高的吸附能力，研究記錄60分鐘內pH值為9的活性炭從溶液中完全去除(100%)的鎳離子。一克活性炭可以通過大部分離子交換從水溶液中去除多達120mg的鎳，從而實現完全的單層覆蓋。并且在堿性介質(pH9)中的吸附過程比在酸性介質(pH3)中的吸附過程更有利。隨著實驗證明這次開發的活性炭能更經濟的從水中去除鎳。

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