陜北蘭炭表面吸附性能研究

陳創(chuàng)前 閆蘭英 康 潔 師倩倩

(西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西省西安市，710054)

★ 煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化★

陜北蘭炭表面吸附性能研究

陳創(chuàng)前 閆蘭英 康 潔 師倩倩

(西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西省西安市，710054)

蘭炭是煤在較低溫度下熱解的產(chǎn)物，因其尚未熱解完全，內(nèi)部含有較多的氫和氧，有較豐富的孔隙及表面結(jié)構(gòu)，所以具有較好的吸附性能，主要對陜北蘭炭進(jìn)行了碘吸附、亞甲基藍(lán)吸附和鈣鎂離子吸附分析。試驗結(jié)果表明，陜北蘭炭能有效吸附碘、亞甲基藍(lán)和鈣鎂離子，對碘的吸附值為211.73 mg/g，對亞甲基藍(lán)去除率達(dá)到92.7%。

蘭炭 去除率 吸附性能

近些年，我國煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，同時也伴隨著嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，例如大氣污染、工業(yè)廢水排放、煙道氣污染以及汽車尾氣的排放等，這些問題對人們的身體健康造成了很大的危害。因此，尋找良好的吸附材料對治理環(huán)境污染極其重要。蘭炭是煤在較低溫度下熱解的產(chǎn)物，其比表面積比活性炭小，但因其尚未熱解完全，內(nèi)部含有較多的氫和氧，同時有著較豐富的孔隙及表面結(jié)構(gòu)，故具有較好的吸附性能，而且價格遠(yuǎn)低于活性炭。因此，對蘭炭的表面吸附性能研究是極具現(xiàn)實意義的。

1 試驗部分

1.1 主要原料

天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠生產(chǎn)的重鉻酸鉀、硝酸鈣、硫酸鎂(分析純)；西安化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的碘化鉀、碘(分析純)；天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的硫代硫酸鈉(分析純)；國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的碳酸鈉、乙二胺四乙酸鈉、氫氧化鈉(分析純)。

1.2 主要設(shè)備

上海精密科學(xué)儀器廠生產(chǎn)的型號為FA2004N的電子分析天平、上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠生產(chǎn)的型號為SX2-12-16的高溫電阻爐、上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的型號為PHS-3C的精密pH計；上海安亭科學(xué)儀器廠生產(chǎn)的型號為TGL-16G的高速臺式離心機(jī)、北京普析通用儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的型號為TU-1900雙光束紫外可見分光光度計、美國麥克公司生產(chǎn)的型號為ASAP2020的全自動物理化學(xué)吸附儀。

1.3 試驗方法

1.3.1 碘吸附

用電子分析天平準(zhǔn)確稱取0.50 g蘭炭產(chǎn)品，置入250 mL的錐形瓶中，加入濃度為0.1244 mol/L的碘液50 mL，然后在磁力攪拌下于21℃攪拌15 min之后，在室溫下靜置5 min，再用高速臺式離心機(jī)進(jìn)行離心分離。選取上清液10 mL，滴定硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液至淡黃色，接著滴入淀粉指示液2 mL，溶液變?yōu)樗{(lán)色，最后繼續(xù)滴定直至無色，將消耗的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液體積記錄下來。按照上述步驟平行做3次試驗，然后對所消耗的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液的體積求平均值，利用公式(1)求碘的吸附值E：

E=5(10C1-VC2)×127/m

(1)

式中：E——碘的吸附值，mg/g；

C1——碘溶液濃度，mol/L；

V——硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液滴定的體積，mL；

C2——硫代硫酸鈉溶液濃度，mol/L；

m——試樣質(zhì)量，g。

1.3.2 亞甲基藍(lán)吸附

配制初始濃度為C0的亞甲基藍(lán)溶液200 mL，用移液管準(zhǔn)確移取100 mL亞甲基藍(lán)溶液置于容量為250 mL的錐形瓶中，用0.01 mol/L的HCl或NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH值，加入質(zhì)量為1.00 g的陜北蘭炭，在磁力攪拌器下于25℃充分?jǐn)嚢?0 min，靜置5 min后放入高速臺式分離機(jī)中進(jìn)行離心分離。取出離心液在亞甲基藍(lán)的最大吸收波長665 mm處測定其吸光度，通過吸光度在亞甲基藍(lán)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線中求推薦水溶液中的濃度C3，通過式(2)計算出脫色去除率t：

(2)

式中：t——脫色去除率， %；

C0——初始濃度，mol/L；

C3——亞甲基藍(lán)水溶液濃度，mol/L。

1.3.3 鈣離子吸附

配制0.01 mol/L的Ca(NO3)2溶液，調(diào)節(jié)pH值為7左右，再配制0.01 mol/L的EDTA(乙二胺四乙酸)溶液，用移液管準(zhǔn)確移取100 mL的硝酸鈣溶液置于250 mL的錐形瓶中，再向瓶中加入0.20 g蘭炭，在室溫下放在磁力攪拌器下分別攪拌2 min、5 min、10 min、20 min、40 min和60 min后，在高速臺式離心機(jī)內(nèi)進(jìn)行離心分離，取上清液25 mL置于250 mL的錐形瓶中，用0.01 mol/L的EDTA溶液進(jìn)行滴定。按上述步驟平行滴定5次，求平均值，測定鈣離子的吸附量。

1.3.4 鎂離子吸附

配制0.01 mol/L的Mg SO4溶液，調(diào)節(jié)pH值為6.42左右，再配制0.01 mol/L的EDTA(乙二胺四乙酸)溶液，用移液管準(zhǔn)確移取100 mL的硫酸鎂溶液置于250 mL的錐形瓶中，再向瓶中加入0.20 g蘭炭，在室溫下放在磁力攪拌器下分別攪拌2 min、5 min、10 min、20 min、40 min和60 min后，在高速臺式離心機(jī)內(nèi)進(jìn)行離心分離，取上清液25 mL置于250 mL的錐形瓶中，用0.01 mol/L的EDTA溶液進(jìn)行滴定。按上述步驟重復(fù)做3組實驗，求其平均值，測定鎂離子的吸附量。

2 結(jié)果與討論

2.1 碘吸附結(jié)果分析

由公式(1)計算得出，在21.1℃下陜北蘭炭對碘的吸附值為211.73 mg/g。有專家研究了不同變質(zhì)程度的煤從碘的碘化鉀水溶液中吸附碘的情況，發(fā)現(xiàn)隨著碳含量的增加，吸附量逐漸增大，當(dāng)煤中固定碳含量為78%左右時吸附量達(dá)到最大值，碳含量到29%以后煤的吸附量迅速減小。本試驗中蘭炭固定碳含量為72.68%，其對碘的吸附達(dá)到了比較理想的效果，可以用陜北蘭炭替代價格相對貴的活性炭用于吸附領(lǐng)域，使蘭炭得到更充分更有效的利用。

2.2 亞甲基藍(lán)吸附結(jié)果分析

2.2.1 亞甲基藍(lán)溶液濃度對去除率的影響

配制濃度分別為10 mg/L、20 mg/L、40 mg/L、80 mg/L、160 mg/L和320 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液100 mL置于250 mL錐形瓶中，分別加入1.00 g陜北蘭炭，用0.01 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH值至11左右，用恒溫磁力攪拌器在20℃～40℃下攪拌1 h，亞甲基藍(lán)溶液濃度對去除率影響如圖1所示。

由圖1可以看出，去除率隨著亞甲基蘭濃度的增加而下降，當(dāng)亞甲基藍(lán)溶液的濃度為10 mg/L時，其去除率較為平緩。

2.2.2 吸附時間對去除率的影響

準(zhǔn)確量取濃度為10 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液100 mL，用0.01 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)pH值為11左右，分別加入陜北蘭炭1.00 g，用恒溫磁力攪拌器在20℃～40℃條件下，分別攪拌10 min、20 min、40 min、60 min、80 min和100 min，吸附時間對去除率的影響如圖2所示。

圖1 亞甲基藍(lán)溶液濃度對去除率影響

圖2 吸附時間對去除率的影響

由圖2可以看出，去除率隨著吸附時間變長而增加，60 min后去除率變化趨于平緩。

2.2.3 吸附溫度對去除率的影響

準(zhǔn)確量取濃度為10 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液100 mL，用0.01 mol /L的NaOH調(diào)節(jié)pH值為11左右，分別加入陜北蘭炭1.00 g，用恒溫磁力攪拌器分別在10℃、20℃、30℃、40℃、50℃和60℃時攪拌于1 h，吸附溫度對去除率的影響如圖3所示。

圖3 吸附溫度對去除率的影響

由圖3可以看出，去除率隨著溫度的升高先增加后降低，溫度在20℃～40℃左右時，吸附性能最好。

2.2.4 亞甲基藍(lán)溶液pH值對去除率的影響

準(zhǔn)確量取濃度為10 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液100 mL，用0.01 mol /L的HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值分別為3.42、5.63、7.34、9.42、11.68和12.85，分別加入陜北蘭炭1.00 g，用恒溫磁力攪拌器分別在20℃～40℃下攪拌于1 h，亞甲基藍(lán)溶液pH值對去除率的影響如圖4所示。

圖4 亞甲基藍(lán)溶液pH值對去除率的影響

由圖4可以看出，亞甲基藍(lán)溶液的pH值對蘭炭的吸附有很大的影響，隨著溶液pH值的增加，去除率也在增加。亞甲基藍(lán)溶液pH值大約在11左右時，吸附性能相對最佳。

2.2.5 蘭炭吸附等溫平衡分析

配制濃度分別為10 mg/L、20 mg/L、40 mg/L、80 mg/L、160 mg/L和320 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液100 mL置于250 mL的錐形瓶中，分別加入陜北蘭炭1.00 g，用0.01 mol /L的NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH值為11左右，用恒溫磁力攪拌器在20℃～40℃下攪拌1 h。吸附量與平衡濃度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 吸附量與平衡濃度的關(guān)系

由圖5可以看出，隨著亞甲基藍(lán)溶液濃度的增大，蘭炭對其吸附量也在增加，這表明蘭炭能夠有效地吸附使亞甲基藍(lán)溶液脫色，但達(dá)到一定吸附量后反應(yīng)逐步趨于穩(wěn)定。

2.2.6 吸附等溫線

采用Langmuir方程對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，Langmuir吸附等溫方程如式(3)所示：

(3)

式中：Q——擬合吸附量，mg/g；

Qm——飽和吸附量，mg/g；

Ce——平衡質(zhì)量濃度，mg/L；

KL——吸附常數(shù)。

即若以1/Q對1/Ce作圖，應(yīng)得直線一條，由直線的斜率和截距，可求出Qm和KL，吸附等溫線如圖6所示，由圖求得Qm為36.36 mg/g，KL為0.0325，R2為0.8316，接近于1，所以表明Langmuir方程能夠擬合蘭炭的吸附過程，其飽和吸附量為36.36 mg/g。

圖6 吸附等溫線

2.3 鈣離子吸附

在溫度為21℃、pH值為6.30、蘭炭質(zhì)量為0.20 g、所吸附的溶液量為100 mL、初始鈣離子濃度為9.98 mmol/L的條件下進(jìn)行吸附時，應(yīng)保證吸附質(zhì)與吸附劑有一定的接觸時間，使吸附接近平衡，充分利用吸附能力。吸附平衡所需時間取決于吸附速度，吸附速度越快，達(dá)到吸附平衡所需的時間就越短。吸附時間與蘭炭吸附鈣離子的關(guān)系如圖7所示。

圖7 吸附時間與蘭炭吸附鈣離子的關(guān)系

由圖7可以看出，在30 min內(nèi)蘭炭對鈣離子的吸附量隨時間的增加而不斷增大，超過30 min后蘭炭對鈣離子的吸附趨于平緩。

2.4 鎂離子吸附

在溫度為21℃、pH值為6.30、蘭炭質(zhì)量為0.20 g、所吸附的溶液量為100 mL、初始鎂離子濃度為7.69 mmol/L的條件開始反應(yīng)，吸附時間與蘭炭吸附鎂離子的關(guān)系如圖8所示。

由圖8可以看出，在前20 min內(nèi)陜北蘭炭對鎂離子的吸附量隨時間的增加而不斷增大，超過20 min后蘭炭對鎂離子的吸附相對趨于平緩。

圖8 吸附時間與蘭炭吸附鎂離子的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)陜北蘭炭表面含有大量羥基、烴羥基、羰基及醚基等官能團(tuán)，這對其吸附性能具有重要的影響，蘭炭固定炭含量相對較高，對碘的吸附值為211.73 mg/g。

(2)陜北蘭炭對亞甲基藍(lán)的吸附符合Langmir等溫式，蘭炭能有效吸附亞甲基藍(lán)。蘭炭對亞甲基藍(lán)的吸附受亞甲基藍(lán)溶液初始濃度、吸附時間、溫度以及pH值等的影響。

(3)試驗測得，在亞甲基藍(lán)初始濃度為10 mg/L、吸附時間為60 min、溫度為20℃～40℃、pH值為11左右、投加量為1.5 g 的條件下，蘭炭吸附性能相對最佳，去除率達(dá)到了92.7%。陜北蘭炭具有吸附鈣、鎂等金屬離子的性能，而且吸附時間越長，其吸附性能相對越好。

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(責(zé)任編輯 王雅琴)

ResearchonsurfaceadsorptivepropertyofsemicokeinnorthernShaanxi

Chen Chuangqian， Yan Lanying， Kang Jie， Shi Qianqian

(Chemistry and Chemical Engineering College, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an, Shaanixi 710054, China)

Semi coke is the product of coal under lower temperatures because of incompletely pyrolysis and contains a lot of hydrogen and oxygen inside. The abundant pore and surface structure make it have good adsorption performance. The authors analyzed iodine adsorption value, methylene blue adsorption value and calcium and magnesium ion adsorption value of semi coke in northern Shaanxi. The experimental results showed that the semi coke could effective adsorb iodine, methylene blue, calcium and magnesium ions. The iodine adsorption value was 211.73 mg/g, and the methylene blue removal rate reached 92.7%.

semi coke, removal rate, adsorption performance

陳創(chuàng)前，閆蘭英，康潔等. 陜北蘭炭的表面吸附性能研究[J].中國煤炭，2017，43(8)：113-116. Chen Chuangqian，Yan Lanying，Kang Jie, et al. Research on surface adsorptive property of semi coke in northern Shaanxi [J].China Coal，2017，43(7)：113-116.

TD94

A

陳創(chuàng)前(1977-)，男，陜西富平人，工程師，碩士，主要從事化學(xué)實驗教學(xué)管理與礦物材料研究工作。