《固體在溶液中的吸附》實(shí)驗(yàn)的研究與改進(jìn)*

孫家翰，王 瑩，楊震爍，鄧銀河

(大連交通大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

活性炭是一種多孔性的、高度分散的吸附劑，它在溶液中有較強(qiáng)的吸附能力，在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用[1-2]。大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)《固體在溶液中的吸附》實(shí)驗(yàn)[3-4]研究了活性炭在醋酸水溶液中對醋酸的吸附作用，并推算出活性炭的比表面積。

在實(shí)驗(yàn)過程中，測定了活性炭對不同濃度醋酸的吸附量，但是并沒有研究反應(yīng)條件，如時間和溫度對活性炭在醋酸溶液中吸附作用的影響，本文將從不同吸附條件出發(fā)，研究活性炭在不同吸附溫度、時間以及溶液濃度下對醋酸溶液的吸附作用，同時引入離子交換樹脂和人造沸石，與活性炭進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果可供高校相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員參考與借鑒。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 藥品與儀器

活性炭(粒狀，AR)，001×7陽離子交換樹脂，南大化工廠；人造沸石(LR)，醋酸(AR)，氫氧化鈉(AR)。

I.L-204電子天平，梅特勒-托利多上海有限公司；DF-101S恒溫水浴振蕩器，力辰科技；滴定裝置。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

(1)按照表1在磨口錐形瓶中配制不同濃度的醋酸溶液，其中原始醋酸濃度為0.4 mol/L，而后每瓶中加入吸附劑1 g(準(zhǔn)確至1 mg)。

表1 不同濃度的醋酸溶液的配制

(2)將上述錐形瓶用磨口塞塞好，置于恒溫水浴振蕩器上，調(diào)節(jié)溫度和時間，進(jìn)行振蕩。

(3)振蕩完畢，用帶有塞上玻璃毛的橡皮管的移液管吸取一定量的上層清液，用0.1 mol/L的氫氧化鈉滴定，按照公式(1)計(jì)算活性炭在不同醋酸濃度下的吸附量Γ。由于每瓶內(nèi)醋酸濃度不同，所取體積也不同，1和2號瓶各取10 mL，3和4號瓶各取20 mL，5～7號瓶各取40 mL。另外，需準(zhǔn)確標(biāo)定醋酸的原始濃度。

(1)

式中：v為溶液的總體積(L);m為加入溶液中的吸附劑質(zhì)量(g);c0為醋酸的起始濃度(mol/L);c為平衡濃度(mol/L)。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附劑的比較

選擇離子交換樹脂、人造沸石與活性炭三種吸附劑，考察不同吸附劑對醋酸溶液的吸附性能，吸附條件為30 ℃和0.5 h。應(yīng)用公式(1-2)，分別完成吸附量Γ對平衡濃度c的等溫線和c/Γ-c作圖，由后圖求得飽和吸附量?！?，之后代入公式(3)，得到吸附劑的比表面積S0。

(2)

(3)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)沸石對醋酸吸附前后的吸附量差值出現(xiàn)負(fù)值，表明其吸附性能很差，這可能是沸石在酸性環(huán)境中遭到結(jié)構(gòu)上的破壞，部分成分進(jìn)入溶液中導(dǎo)致。因此在后面的作圖處理過程中，不考慮沸石。關(guān)于離子交換樹脂和活性炭的相關(guān)作圖如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2看出，隨著醋酸平衡濃度的增加，樹脂和活性炭對醋酸的吸附量呈現(xiàn)逐步增加的趨勢。通過作圖計(jì)算，得到樹脂的飽和吸附量?！逓?.0011 mol/g，比表面積S0為162.23 m2/g；活性炭的飽和吸附量?！逓?.0021 mol/g，比表面積S0為306.37 m2/g。可見相同質(zhì)量的活性炭較樹脂具有較大的比表面積。實(shí)驗(yàn)中選用的陽離子交換樹脂是顆粒內(nèi)部存在著很多極性官能團(tuán)的反應(yīng)性聚合物[5]，在吸附實(shí)驗(yàn)前轉(zhuǎn)型為H型，對醋酸的吸附屬于化學(xué)反應(yīng)，同時其內(nèi)部豐富的孔道也具有吸附醋酸分子的作用，但以前者為主。而活性炭表面具有無數(shù)細(xì)小孔隙，使其擁有巨大的比表面積，對醋酸分子的吸附以物理吸附為主。顯而易見，本實(shí)驗(yàn)中活性炭較樹脂具有較強(qiáng)的吸附性能。

圖1 樹脂的吸附曲線

圖2 活性炭的吸附曲線

2.2 不同溫度對吸附性能的影響

以活性炭為研究對象，探討在不同溫度(30，40，50，60，70 ℃)下，對醋酸溶液的吸附性能，如圖3所示，其中0.47 mol/L等表示吸附前溶液的起始濃度，振蕩時間控制在0.5 h。從圖3可以看出，隨著溫度的升高，起始濃度越大，曲線上升幅度越大，即活性炭對醋酸分子吸附量就越大。這是由于溫度越高，醋酸分子的遷移速度越快，在一定的時間內(nèi)有更多的醋酸分子能夠進(jìn)入活性炭內(nèi)部，完成吸附過程。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)是在室溫進(jìn)行，即15～25 ℃之間，因此，不同起始濃度下獲得的吸附量比較接近，加上學(xué)生實(shí)驗(yàn)的誤差，極容易造成吸附量的重疊，沒有可比性，進(jìn)而實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)錯誤，甚至得出相反的結(jié)果。因此，實(shí)驗(yàn)中可以提升吸附溫度，比較不同溫度下活性炭對醋酸溶液的吸附效果。

圖3 吸附量隨溫度的變化曲線

圖4 吸附量隨時間的變化曲線

2.3 不同時間對吸附性能的影響

圖4出示了在不同時間(0.25，0.5，1，2，4 h)下，活性炭對醋酸溶液的吸附曲線，其中固定吸附溫度為30 ℃?？梢郧逦赜^察到，0.25 h到0.5 h的吸附過程中，吸附量出現(xiàn)了明顯的下降，這可能是由于醋酸分子與活性炭剛一接觸時，大量的醋酸分子迅速被吸附，從而出現(xiàn)較高的吸附量，但是隨著振蕩的進(jìn)行，出現(xiàn)了短暫的解析現(xiàn)象，之后從0.5 h開始，隨著吸附時間的延長，吸附量逐漸上升，吸附速度大于解析速度，并且起始濃度越大，曲線上升幅度越大，即活性炭對醋酸分子吸附量就越大。這可能是由于長時間的振蕩促使醋酸分子在活性炭上的吸附更加牢固，降低解析概率[6]。

在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，采用的是0.5 h的吸附時間，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明0.5 h不利于活性炭對醋酸的吸附，因此在學(xué)生的實(shí)驗(yàn)中，可以延長吸附時間，探討不同吸附時間對吸附性能的影響。

3 結(jié) 論

本文從大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)《固體在溶液中的吸附》出發(fā)，考察了離子交換樹脂、人造沸石與活性炭三種吸附劑對醋酸溶液的吸附性能，之后以活性炭為研究對象，探討了吸附溫度和時間對醋酸吸附性能的影響。結(jié)果表明，活性炭的比表面積S0為306.37 m2/g，大于樹脂的比表面積S0162.23 m2/g，活性炭對醋酸具有較強(qiáng)的吸附作用；另外，較高的溫度促進(jìn)醋酸分子遷移速度加快，而時間的延長使得醋酸分子在活性炭上吸附能力大于解析能力，因此隨著吸附溫度的升高和時間的延長，活性炭對醋酸分子吸附量增大，并且起始濃度越大，吸附量越大。因此，在學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)該提高吸附溫度并適當(dāng)延長時間，如果課時允許，可以在多溫度和多時間下完成活性炭對醋酸的吸附，從而形成一個完整的吸附體系。