苯酚在活性炭上的吸附模型

尤翔宇，楊 杰，王云燕，蘇艷蓉，柴立元，舒余德

(1. 中南大學(xué) 冶金科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410017；2. 中南大學(xué) 國(guó)家重金屬污染防治工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410017；3. 湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙 410004；4. 長(zhǎng)沙市審計(jì)局，長(zhǎng)沙 410013；5. 中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410007)

苯酚在活性炭上的吸附模型

尤翔宇1,2,3，楊 杰4，王云燕1,2，蘇艷蓉5，柴立元1,2，舒余德1,2

(1. 中南大學(xué) 冶金科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410017；2. 中南大學(xué) 國(guó)家重金屬污染防治工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410017；3. 湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙 410004；4. 長(zhǎng)沙市審計(jì)局，長(zhǎng)沙 410013；5. 中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410007)

采用靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)研究苯酚在活性炭上的吸附熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)行為。采用預(yù)處理后的活性炭吸附苯酚，吸附過(guò)程遵守二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，最大吸附量為0.276 1 g/g。吸附熱為?23.89 kJ/mol，吸附鍵強(qiáng)度較小，一個(gè)苯酚分子通過(guò)氫鍵吸附在活性炭界面兩個(gè)活性點(diǎn)上；隨著苯酚引入量的增加，紅外光譜在3 432 cm?1的羥基譜線由尖逐漸變寬，出現(xiàn)彌散光譜，由此推測(cè)出苯酚通過(guò)羥基上的氫鍵發(fā)生締合。綜合所得數(shù)據(jù)提出活性炭吸附苯酚的模型，并圓滿解釋相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

苯酚；活性炭；吸附模型

苯酚是一種常見(jiàn)的高毒性難降解有機(jī)物。焦化工業(yè)的發(fā)展使含酚廢水的排放量越來(lái)越大，成分也越來(lái)越復(fù)雜。含酚廢水COD含量高，苯環(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易分解，可生化性差，處理難度大，是當(dāng)前環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題[1]。因此，研究開(kāi)發(fā)高效的含酚廢水處理技術(shù)具有十分重要的意義。

吸附法在處理含酚廢水中應(yīng)用較為廣泛，吸附劑對(duì)廢水中苯酚的吸附具有很好的可逆性，容易脫附回收[2]，能多次使用，處理效果明顯，且吸附劑可選擇的范圍較多。常用的吸附劑如活性炭[3]、沸石[4]、膨潤(rùn)土[5]、大孔樹(shù)脂[6?7]等對(duì)苯酚的吸附效率一般都在90%以上?；钚蕴渴且蕴紴橹饕煞值奈讲牧希Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜?；钚蕴康奈叫阅懿粌H和其空隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與其化學(xué)組成和化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)[8]。作為多孔吸附劑的活性炭基本上是非結(jié)晶性物質(zhì)，由微細(xì)的石墨狀微晶和將其連接在一起的碳?xì)浠衔飿?gòu)成的，固體部分之間的間隙形成孔隙，賦予活性炭所特有的吸附性能。王貴珍等[3]對(duì)毛竹活性炭的制備及其吸附苯酚廢水進(jìn)行了研究；RADOVIC等[9]研究了不同活性炭表面物理化學(xué)特性，包括表面含氧基團(tuán)、孔徑及活性炭材質(zhì)等對(duì)苯酚吸附去除率的影響。ROOSTAEI等[10]等研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明活性炭對(duì)苯酚的吸附性能優(yōu)于硅膠和活性鋁土；VIRARAGHAVAN[11]采用泥炭處理苯酚廢水，去除率達(dá)到46.1%，吸附效果明顯優(yōu)于飛灰與皂土；詹旭等[12]研究活性炭吸附苯酚廢水的處理效果，在活性炭用量為14 g/L，初始濃度為0.505 mg/L的情況下，20 min揮發(fā)酚的去除率即可達(dá)到96.04%。這些研究表明，采用活性炭處理含酚廢水是完全可行的。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)活性炭吸附處理苯酚廢水的研究大多停留在工藝上[13]，沒(méi)有對(duì)苯酚吸附過(guò)程進(jìn)行深入研究，無(wú)法清楚地解釋苯酚的吸附機(jī)理，影響該工藝的研究和應(yīng)用。本文作者在查明活性炭吸附苯酚行為的過(guò)程后，由吸附熱力學(xué)、吸附動(dòng)力學(xué)及吸附不同濃度苯酚后活性炭的紅外光譜圖推測(cè)出活性炭吸附苯酚的模型，為苯酚吸附工藝過(guò)程的優(yōu)化和吸附機(jī)理的探討提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 苯酚廢水

模擬苯酚廢水：稱取1.35 g苯酚溶于1000 mL水中，總有機(jī)碳(TOC)濃度為950 mg/L，化學(xué)需氧量(COD)濃度為2 850 mg/L，pH值為6.5。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將購(gòu)置的HA-B型活性炭用清水沖洗干凈，再放入沸水中煮去除雜質(zhì)后烘干備用。

稱取一定量的預(yù)處理后活性炭吸附劑投入到已調(diào)pH值的裝有100 mL模擬苯酚廢水的錐形瓶中，恒溫振蕩(轉(zhuǎn)速170 r/min，反應(yīng)溫度20 ℃)，反應(yīng)完成后取樣，在520 nm的波長(zhǎng)下，用722型可見(jiàn)光分光光度計(jì)對(duì)剩余苯酚濃度進(jìn)行檢測(cè)。

在吸附等溫線研究中，活性炭用量為5 g/L，溶液pH值為5.8。在吸附動(dòng)力學(xué)研究中，活性炭用量為5 g/L，苯酚初始濃度為1.35 g/L，溶液pH值5.8，反應(yīng)時(shí)間為2 h。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溶液pH值使用稀H2SO4和NaOH調(diào)整。所有實(shí)驗(yàn)均設(shè)3個(gè)平行樣，測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值用于結(jié)果分析。

1.3 分析方法

標(biāo)準(zhǔn)曲線法：于一組8支50 mL比色管中分別加入0、0.5、1.0、3.0、5.0、7.0、10.0、12.5 mL苯酚標(biāo)準(zhǔn)中間液，加水至50 mL標(biāo)線，加0.5 mL緩沖溶液，混勻，此時(shí)pH值為10±0.2，加入4-氨基安替比林溶液1.0 mL混勻。再加1.0 mL鐵氰化鉀溶液，充分混勻，放置10 min后于510 nm波長(zhǎng)下用光程20 mm的比色皿，以純水為參比，測(cè)量吸光度，經(jīng)空白校正后，繪制吸光度對(duì)苯酚含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

式中：ρ 為苯酚濃度，mg/L；m為由水樣校正吸光度，從校準(zhǔn)曲線上查得苯酚含量，mg；v為移取的溶液體積，L。

樣品的紅外光譜采用傅里葉紅外光譜儀(美國(guó)熱電公司，Nicolet Nexus670)測(cè)定；TOC采用總有機(jī)碳測(cè)定儀(日本島津公司生產(chǎn)，TOC-VCPH)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附動(dòng)力學(xué)

在活性炭投加量0.5 g，溫度20 ℃，苯酚濃度1.35 g/L時(shí)，吸附量隨反應(yīng)時(shí)間的變化如圖1所示。由圖1可看出，隨著時(shí)間的增加，活性炭吸附苯酚的量在70 min時(shí)逐漸達(dá)到平衡，為了保證活性炭吸附苯酚能達(dá)到飽和，采取的吸附時(shí)間為120 min。

在活性炭吸附劑吸附苯酚的動(dòng)力學(xué)研究中，分別用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(Pseudo-first-order)和二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(pseudo-second-order)對(duì)活性炭吸附動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行擬合[14]，得到相關(guān)系數(shù)分別為0.984 2、0996 3，其他擬合結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 活性炭吸附苯酚的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 1 Kinetic parameters of phenol adsorption on activated carbon

圖1 活性炭吸附量與吸附時(shí)間的關(guān)系Fig. 1 Relationship between adsorption capacity and reaction time

由表1看出，根據(jù)一、二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算的平衡吸附量分別為105.36、127.55 mg/g，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平衡吸附量為120.96 mg/g，二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出的平衡吸附量接近實(shí)驗(yàn)值，且擬合的相關(guān)系數(shù)更高。所以，二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程更適合描述活性炭吸附苯酚的吸附動(dòng)力學(xué)，表明活性炭吸附苯酚的過(guò)程為化學(xué)吸附。

2.2 吸附等溫線

在不同的苯酚初始濃度下，投加0.5 g活性炭，吸附平衡時(shí)間為120 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)束測(cè)定平衡濃度。在不同溫度下進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)得到吸附等溫曲線如圖2所示。

圖2 活性炭吸附量與平衡濃度的關(guān)系Fig. 2 Relationship between adsorption capacity and equilibrium concentration

由Clausius-clapyron方程式推導(dǎo)可得

式中：Q為吸附熱，kJ/mol；R為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T1、T2分別為反應(yīng)溫度，K；c1、c2分別為溫度T1、T2時(shí)對(duì)應(yīng)的平衡濃度，mol/L。

根據(jù)兩個(gè)不同溫度下吸附平衡濃度可近似求得吸附熱。吸附通常為放熱過(guò)程，故由圖2提供的數(shù)據(jù)及式(1)求得吸附熱為?23.89 kJ/mol。吸附熱較小，介于物理吸附和化學(xué)吸附之間，推測(cè)可能為氫鍵吸附。

2.3 吸附位

如果苯酚吸附在活性炭粒子表面的兩個(gè)位置上[15?16]，吸附平衡時(shí)應(yīng)遵循如下方程式：

式中：b為吸附平衡常數(shù)，又稱吸附系數(shù)；c為不同初始濃度時(shí)的平衡濃度，mol/L；θ為吸附位覆蓋度，可以用不同初始濃度時(shí)的平衡吸附量q與飽和吸附量qm的比值表示，即θ=q/qm。

將方程式(2)轉(zhuǎn)化為線性方程式得

用c1/2/q對(duì)c1/2作圖得一直線，結(jié)果如圖3所示，由直線斜率得qm為0.276 1 g/g，擬合相關(guān)系數(shù)為0.993 1。結(jié)果表明，苯酚吸附在活性炭上時(shí)與兩個(gè)活性點(diǎn)成鍵。

圖3c1/2/q與c1/2的關(guān)系Fig.3 Relationship betweenc1/2/qandc1/2

2.4 苯酚在活性炭上的吸附形態(tài)

2.4.1 紅外光譜

為了查明苯酚在活性炭上的吸附形態(tài)，測(cè)定不同苯酚濃度下活性炭吸附苯酚后的紅外光譜圖，如圖4所示。圖4中由下往上曲線1～4分別為活性炭，加入濃度為0.65 g/L苯酚，濃度為1.95 g/L苯酚及濃度為6.5 g/L苯酚的活性炭紅外光譜。隨著苯酚引入量的增加，羥基吸收帶由活性炭得到的尖峰逐漸變寬，出現(xiàn)彌散的寬譜。而由1 000 cm?1處吸收帶的位置沒(méi)有偏移，可知苯環(huán)在活性炭上無(wú)相互作用，因此可以認(rèn)為活性炭吸附苯酚時(shí)是苯酚的羥基與活性炭的表面發(fā)生作用。

圖4 活性炭的紅外光譜Fig.4 IR spectra of activated carbon: 1—Activated carbon; 2—0.65 g/L phenol+activated carbon; 3—1.95 g/L phenol+ activated carbon; 4—6.5 g/L phenol+activated carbon

2.4.2 活性炭羥基的形成

由活性炭的紅外光譜圖看到，在波長(zhǎng)為3 432 cm?1時(shí)出現(xiàn)很強(qiáng)的O—H伸縮振動(dòng)，表明活性炭存在羥基，可以這樣推測(cè)活性炭中有羥基形成?；钚蕴款愃剖肿咏Y(jié)構(gòu)，由大量微晶分子組成，碳分子用sp2雜化軌道形成δ鍵骨架，微晶中的一個(gè)未飽和sp2雜化軌道與O—H鍵中氧原子一個(gè)sp3軌道成鍵，形成活性炭表面上的羥基，剩下的兩個(gè)sp3雜化軌道均有孤對(duì)電子。按照價(jià)鍵理論，鍵的結(jié)構(gòu)式表示為

2.4.3 苯酚在活性炭上的吸附化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)式

在苯酚分子中，氧原子的價(jià)電子是以sp2雜化軌道參與成鍵。酚羥基中氧原子上的一對(duì)未共用電子對(duì)所在p軌道與苯酚的6個(gè)碳原子的p軌道平行形成離域π鍵，sp2雜化軌道中其中一個(gè)sp2軌道與酚中C成鍵，另一個(gè)sp2軌道與H原子成鍵。第三個(gè)sp2軌道具有未用的孤對(duì)電子，苯酚分子結(jié)構(gòu)可表示為

由式(4)～(5)可知，活性炭中羥基氧原子sp3軌道中存在的孤對(duì)電子，可與苯酚中羥基中的氫形成氫鍵，苯酚吸附在活性炭上的結(jié)構(gòu)為

2.4.4 苯酚在活性炭上的吸附形態(tài)

由等溫方程求得的吸附熱為?33.046 kJ/mol，也證明苯酚以氫鍵吸附在活性炭上[17]。式(5)表明，苯酚羥基中氧一個(gè)sp3軌道有一對(duì)未用的孤對(duì)電子，通過(guò)它形成氫鍵如式(6)所示。圖5所示為苯酚在活性炭上的吸附態(tài)示意圖。由圖5看到，活性炭中的羥基使吸附的苯酚發(fā)生締合，故隨著苯酚濃度的增加，使羥基的氧原子有兩對(duì)孤對(duì)電子，其中一對(duì)可以與另一個(gè)被吸附酚的羥基氧原子又形成了氫鍵。通過(guò)這種連結(jié)方式使苯酚在活性炭界面上發(fā)生締合。這就解釋了紅外光譜中隨活性炭吸附苯酚吸附量的增加，羥基吸附帶變寬，出現(xiàn)彌散的寬譜。式(5)中苯酚在活性炭的吸附是通過(guò)兩個(gè)氫鍵吸附在活性炭?jī)蓚€(gè)羥基的氧原子上，吸附位為2，與吸附等溫曲線實(shí)際結(jié)果一致。

圖5 苯酚在活性炭上的吸附態(tài)示意圖Fig. 5 Structure of phenol adsorbed on activated carbon

2.5 吸附模型對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋

2.5.1 溫度對(duì)活性炭吸附苯酚的影響

在活性炭投加量為0.5 g，吸附時(shí)間為120 min，苯酚濃度為1.34 g/L，pH值為6時(shí)，當(dāng)溫度從10 ℃增加到70 ℃時(shí)，得到吸附量與溫度的關(guān)系如圖6所示。

圖6 溫度對(duì)活性炭吸附苯酚的影響Fig.6 Effect of temperature on phenol adsorption on activated carbon

由圖6可看出，當(dāng)溫度小于20 ℃時(shí)，活性炭吸附苯酚的吸附量隨著溫度的升高而升高；當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，得到最大的吸附量0.163 g/g；當(dāng)溫度大于20℃時(shí)，活性炭的吸附量隨著溫度的升高而降低；當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，活性炭對(duì)苯酚的吸附量只有0.1474 g/g。由于吸附為放熱反應(yīng)，故增加溫度，吸附效果變差。

2.5.2 初始pH值對(duì)活性炭吸附苯酚的影響

在溫度20 ℃，吸附時(shí)間為120 min，苯酚濃度為1.34 g/L，活性炭投加量為0.5 g時(shí)，改變pH值從2到12，得到初始pH值對(duì)活性炭吸附苯酚的影響如圖7所示。

圖7 初始pH值對(duì)活性炭吸附苯酚的影響Fig.7 Effect of initial pH value on phenol adsorption on activated carbon

由圖7看到，當(dāng)活性炭在pH值為6～7時(shí)，活性炭對(duì)苯酚有最大的吸附量；當(dāng)pH值大于或小于6～7時(shí)，活性炭吸附苯酚的性能將受到很大的影響。酸性條件下，活性炭吸附苯酚的性能有所降低，但影響不明顯。但當(dāng)pH值大于8時(shí)，活性炭的吸附性能下降明顯；當(dāng)pH值大于12時(shí)，活性炭吸附性能幾乎完全喪失，吸附量只有0.04 g/g。由式(5)看到，酚羥基中氧原子上的一對(duì)未共用電子對(duì)所在的p軌道與苯環(huán)的六個(gè)碳原子平行，組成共軛體系。使氧原子的負(fù)電荷離域，降低了氧原子上的電子云密度，從而消弱O—H鍵與活性炭形成的氫鍵。故隨著OH?濃度的增加，會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

當(dāng)OH?達(dá)到一定程度后，氫鍵全部斷裂，故活性炭失去吸附性能。

3 結(jié)論

1) 活性炭對(duì)苯酚的吸附遵守二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，最大吸附量為0.2761 g/g。

2) 活性炭吸附苯酚服從朗格繆爾方程式，表明有一個(gè)苯酚分子吸附在兩個(gè)活性點(diǎn)上。實(shí)際測(cè)得的吸附熱為?33.046 kJ/mol，表明吸附鍵的強(qiáng)度較小，推測(cè)苯酚通過(guò)氫鍵吸附在活性炭上。

3) 紅外光譜實(shí)驗(yàn)表明，隨著苯酚濃度增加，紅外光譜在3 432 cm?1的羥基譜線由尖逐漸變寬，出現(xiàn)彌散光譜，推測(cè)苯酚通過(guò)氫鍵發(fā)生締合。

4) 提出了活性炭吸附苯酚的模型，并圓滿解釋吸附實(shí)驗(yàn)的有關(guān)現(xiàn)象。

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(編輯 李艷紅)

Adsorption model of phenol on activated carbon

YOU Xiang-yu1,2,3, YANG Jie4, WANG Yun-yan1,2, SU Yan-rong5, CHAI Li-yuan1,2, SHU Yu-de1,2
(1. School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410017, China; 2. National Engineering Research Center for Pollution Control of Heavy Metals, Central South University, Changsha 410017, China; 3. Hunan Research Academy of Environmental Sciences, Changsha 410004, China; 4. Changsha Municipal Audit Bureau, Changsha 410013, China; 5. China Machinery International Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Changsha 410007, China)

The dynamics and thermodynamics of activated carbon adsorbing phenol were investigated by static adsorption experiments. The adsorption process obeys the second-level dynamic equation, where the pretreatment activated carbon is used to adsorb phenol. The maximum adsorption capacity is 0.276 1 g/g. The experimental results deduced from the adsorption thermodynamics computation and the infrared spectrogram shows that the adsorption heat is?33.046 kJ/mol, the adsorption bond strength is small, and a phenol molecule adsorbs on two active points of activated carbon surface via hydrogen bond. With the increase of phenol dosage, the infrared spectrum broadens gradually on 3 432 cm?1hydroxyl spectral line, the dissemination spectrum occurs, which indicates that phenol associates through hydrogen bond on hydroxyl. Adsorption model being built based to the obtained data could be used to explain the related experiment phenomena.

phenol; activated carbon; adsorption model

X703.1，X793

A

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50925417)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50830301)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2010B121)

2011-10-18；

2012-03-20

王云燕，副教授，博士；電話：0731-88830577；E-mail: wyy@csu.edu.cn

1004-0609(2012)10-2924-06