活性炭吸附鋯離子

活性炭吸附鋯離子，鋯離子濃度范圍廣(1.0-5.0 g/l)，這次研究了活性炭上水溶液中鋯離子的吸附動力學(xué)和不同溫度下的吸附水平。鋯離子的吸附過程分兩個階段進(jìn)行，第一階段相當(dāng)快，其次是慢得多。Bangham方程用于研究鋯離子在活性炭上的吸附動力學(xué)。據(jù)觀察，鋯離子擴(kuò)散到活性炭孔隙中控制著吸附過程的動力學(xué)。而且，鋯離子的吸附符合所研究濃度范圍內(nèi)的Freundlich和Langmuir等溫線。吸附平衡常數(shù)在活性炭上吸附鋯離子的數(shù)值也已經(jīng)在不同的溫度下計算出來。

鋯是化學(xué)和核工程以及冶金和航海技術(shù)中的重要材料，因為它具有理想的機械強度，低熱中子截面(0.185 b)以及對酸，堿和鹽水的腐蝕性。鋯金屬出現(xiàn)在隕石，沉積物，再生材料，火成巖和火山巖，是各種寶石和凝膠的主要成分。鉿總是與鋯一起在自然界中發(fā)現(xiàn)。通常，商業(yè)級鋯含有每100重量份鋯1至5重量份的鉿。鋯的性質(zhì)受鉿含量的影響。例如，由于鉿(102b)的高熱中子截面，鋯中存在1-2%的鉿可將其熱中子橫截面從(0.185b)提高到(1.0b)。因此，鋯在核技術(shù)中的應(yīng)用至關(guān)重要，因為它不含鉿或幾乎不含鉿才行。為了純化目的，正在使用許多方法，例如沉淀，離子交換，分步結(jié)晶和在固體上的吸附。由于其簡單性，選擇性和有效性，在某些條件下的吸附過程比用于金屬離子凈化/回收的其他方法具有明顯的優(yōu)勢。經(jīng)濟(jì)的吸附工藝的主要要求是吸附劑具有足夠的選擇性，高吸附能力和高使用壽命。活性炭由于其大表面積，微孔結(jié)構(gòu)，高吸附容量，輻射穩(wěn)定性和高純度，已被廣泛用于從溶液中去除金屬離子。我們以前使用活性炭作為溶液中的吸附呋喃鎓，釷，釓，釤，銪和鍶離子。

吸附方法是采用間歇技術(shù)從水溶液中吸附鋯離子在活性炭上，在恒溫振蕩器中用約0.1g干燥的活性炭振蕩，將其溫度預(yù)先調(diào)整到所需的值。經(jīng)過預(yù)定的時間后，將溶液通過濾紙過濾。由于濾紙吸附鋯離子，濾液的前2-3ml部分被排除。使用WDXRF光譜儀在測量濾液中鋯離子的濃度。

圖1.活性炭上的鋯離子在不同溫度下的振蕩時間(溶液濃度2 g / l，pH 1.9)。

圖1表示在不同溫度下振蕩時間下活性炭上鋯離子吸附的變化。該圖表明，最初吸附的鋯離子部分迅速增加，但隨后該過程減慢并且在約30分鐘后(即，當(dāng)吸附平衡建立時)達(dá)到恒定值。可以了解到的是鋯離子的吸附可以說是發(fā)生在兩個不同的步驟，一個相對較快的一個接著是較慢的一個。緩慢的吸附通過鋯離子擴(kuò)散到活性炭的孔中來解釋。圖1還表明，鋯離子吸附過程的一般時間依賴性基本上與溫度無關(guān)。然而，溫度變化影響鋯離子吸附量，隨著吸附溫度的升高而增加。這是因為在較高的溫度下，鋯離子通過活性炭孔的擴(kuò)散更快并且可以進(jìn)行到更大的程度。氯氧化鋯表現(xiàn)為路易斯酸在極性溶劑中溶解產(chǎn)生水解并通過釋放HC1形成四聚體四聚體絡(luò)合離子[Zr4(OH)2(H20)16]8+。HCl的釋放導(dǎo)致溶液中pH的降低。目前研究中確定的pH值為1.9，這證實了這一論點。沒有簡單的解釋這種四聚體物質(zhì)在活性炭表面上的吸附。由于活性炭的表面確實具有酸性表面官能團(tuán)，因此四聚體絡(luò)合離子可能與該酸性基團(tuán)形成表面絡(luò)合物。

圖2.不同鋯離子濃度下活性炭對搖動時間的鋯離子吸附。

圖2描繪了在20℃下從水溶液中以不同濃度范圍(1.0-5.0g / l)在活性炭上吸附鋯離子。這表明鋯離子吸收最初很快，后來變慢，最終達(dá)到飽和。飽和時間約為30分鐘，吸附程度實際上保持不變。這些觀察結(jié)果類似于活性炭上鋯離子吸附的溫度依賴性研究，如圖1所示。圖2中很明顯，在平衡狀態(tài)以及平衡狀態(tài)之前吸附的鋯離子部分，隨著鋯離子濃度的增加而降低。鋯溶液在溶液中的大量輸送，涉及鋯離子擴(kuò)散通過假想膜邊界層的膜轉(zhuǎn)移以及鋯離子在活性炭的孔體積內(nèi)和/或沿孔壁表面擴(kuò)散到主動吸附部位。溶質(zhì)在內(nèi)表面上的實際吸附通常被認(rèn)為是非常快的，因此它不是速率決定步驟。因此，薄膜和顆粒內(nèi)擴(kuò)散可能是控制鋯離子吸附速率的步驟。

根據(jù)動力學(xué)方程中AH的正值表明鋯離子在活性炭上的吸附是一個吸熱過程，與通常的放熱觀察完全相反。早些時候已報道了類似的觀察結(jié)果，其對固體上的不同金屬離子吸附。吸附吸熱的可能解釋在我們早期的實驗中給出。活性炭的值是負(fù)值，正如對自發(fā)過程所預(yù)期的那樣。AS值是正值，隨著溫度的升高，AS值沒有可觀的變化，這意味著AS的值不受溫度的影響。吸附過程是吸熱過程，因此在這些條件下，由于正熵變，過程變?yōu)樽园l(fā)的。

高溫有利于活性炭上水溶液中鋯離子的吸附，并在30分鐘內(nèi)達(dá)到平衡。鋯的吸附發(fā)生在兩個不同的階段，第一階段相對較快，然后是較慢的階段。第一和第二階段吸附過程的活化能的大小分別為5.80和43.00 kJ / mol。Bangham方程對鋯離子吸附數(shù)據(jù)的適用性表明鋯離子擴(kuò)散到活性炭的孔隙中控制著吸附過程。在所研究的濃度范圍內(nèi)，鋯離子的吸附符合Freundlich和Langmiur等溫方程。AH的正值表明鋯離子在活性炭上的吸附是一個吸熱過程。