活性炭對鈧和釹的吸附性能
活性炭對鈧和釹的吸附性能，本次研究的目的是研究活性炭對鈧(Sc)和釹(Nd)這兩種稀土元素(REEs)對的吸附，活性炭使用木屑為前體材料制成，并且采用X射線衍射(XRD)，掃描電子顯微鏡(SEM)，變換紅外光譜(FTIR)和熱重(TG)分析等技術(shù)對活性炭炭進(jìn)行表征，零電荷點(diǎn)(pH PZC)也被確定。實(shí)驗(yàn)條件為：吸收濃度1-10 g·L -1，溶液稀土元素濃度20 mg·L -1，接觸時(shí)間平衡24小時(shí)，溫度25℃，攪拌速度350轉(zhuǎn)/分鐘。還做了活性炭的效率與普通炭的效率相比較。
稀土元素(REE)是17種化學(xué)元素的組合，與金，銀和鉑相比，在地殼中更豐富。但是，由于它們不是以集中形式存在，所以它們的提取是具有挑戰(zhàn)性的。雖然稀土元素的使用量很小，但是它們對生產(chǎn)多種器件(包括移動(dòng)電話，計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器，熒光燈泡，催化劑，磁鐵，冰箱和其他日常用品)中所使用的元件至關(guān)重要。它們也被用于飛機(jī)，混合動(dòng)力汽車，電動(dòng)汽車和風(fēng)力渦輪機(jī)等。在幾個(gè)高科技行業(yè)，清潔能源和更高效的運(yùn)輸和通訊系統(tǒng)生產(chǎn)更復(fù)雜的設(shè)備的需求表明，這些元素的需求可能在未來幾年迅速增加。所以現(xiàn)在它們的經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高。
活性炭是固體，多孔的和富含碳的材料，大多原材料為生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的，并且通過高溫蒸汽或者化學(xué)活化而成的?；钚蕴康男阅苤饕Q于原料的組成，熱處理的類型和使用的溫度?？勺鳛橥寥栏牧紕?，用于改善骨料的穩(wěn)定性，陽離子交換能力，保水性和通氣性。此外，它被認(rèn)為是一種可再生能源，并且由于碳的高度穩(wěn)定性，它有助于土壤中的固碳和緩解全球變暖。因此，通過它的多種用途，活性炭可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物物價(jià)穩(wěn)定措施，保存資源，經(jīng)濟(jì)的改善尤其是在退化地區(qū)和整體可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。所以這次研究活性炭吸附鈧和釹，我們采用了幾種分析技術(shù)通過化學(xué)模型確定溶液中Sc和Nd物種的形態(tài)，提供動(dòng)力學(xué)和平衡數(shù)據(jù)，并討論潛在的吸附機(jī)理。
實(shí)驗(yàn)材料的制備
在本研究中用作的活性炭粒度為1.5-4.0mm。所作為對比物的生物炭在350和550℃下經(jīng)受緩慢熱解鋸末生產(chǎn)的(分別為Sd350和Sd550)。過程為使用少量原料進(jìn)行熱解，例如放置50g在改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室爐中的瓷囊。保留時(shí)間為60分鐘，加熱速率保持在10℃·分鐘-1。N 2氣體以100 mL·min -1的速率加入爐中60 min去除空氣。
進(jìn)行地球化學(xué)建模，以確定水溶液中Nd和Sc物種的形態(tài)。為了從其他來源獲得的附加溶解度數(shù)據(jù)擴(kuò)展以增加可靠性。含水地球化學(xué)模擬使得能夠計(jì)算主要的Nd和Sc物質(zhì)，并通過在吸附實(shí)驗(yàn)中的特定條件(pH，濃度和組成)下使用飽和指數(shù)(SI)來確定溶解度控制相，這項(xiàng)研究。相飽和指數(shù)計(jì)算為SI = log(IAP / Ksp)，其中IAP是在不同pH值下相關(guān)反應(yīng)的離子活性產(chǎn)物，Ksp是溶解度產(chǎn)物常數(shù)。飽和指數(shù)大于零表示過飽和，低于零表示飽和度不足，接近零的值表示與礦物相平衡。
圖1、鋸末(×200)(a)，生物炭(b)和活性炭(c)的SEM-BSI圖像。
圖中顯示了活性炭和對比材料的SEM背散射電子圖像(BSI)?？梢钥闯?，活性炭其表面上具有排列良好的孔隙。然而，由于高分子量揮發(fā)物的釋放，鋸末的纖維結(jié)構(gòu)在熱解后被改變，這影響了孔的數(shù)量和直徑，觀察到尺寸為9-16μm的較小的孔和尺寸為21-48μm的較大的孔。這也表明，形成了幾個(gè)良好的方向微孔與尖銳和彎曲的邊緣形成?？紫堵试黾?，由于脂族C結(jié)構(gòu)與芳族C結(jié)構(gòu)變換。
圖2、2000×時(shí)的SEM顯微照片和分別在Nd(a，b)和Sc(c，d)吸附后的活性炭的相應(yīng)EDS光譜。
活性炭吸附后表面形貌也發(fā)生改變。圖2a、c表示存在幾個(gè)不同形狀和大小的亮點(diǎn)，廣泛分布在其孔隙中。值得注意的是，在所有的實(shí)驗(yàn)中，兩種研究吸收劑的EDS光譜都顯示出比Sc更高的Nd負(fù)載量。這一結(jié)果與動(dòng)力學(xué)研究中所見的Nd吸附趨勢一致。
表1：提供了不同吸附劑濃度下活性炭和生物炭對Sc和Nd吸附量的百分比和速率(mg·g -1)，范圍從1-10 g·L -1。如前所述，溶液中稀土元素的初始濃度為20 mg·L -1。溶液的pH保持恒定在3，24小時(shí)后達(dá)到平衡。
| 吸附劑 | 吸附劑濃度 （g·L -1） | ％Nd吸附 | Nd吸附率（mg·g -1） | ％Sc吸附 | Sc吸附率（mg·g -1） |
|---|---|---|---|---|---|
| 生物炭 | 1 | 40.2 | 8 | 37.9 | 7.5 |
| 2 | 47.1 | 4.7 | 39.7 | 4 | |
| 5 | 61.5 | 2.5 | 47.9 | 1.9 | |
| 10 | 78.6 | 1.6 | 52.3 | 1.1 | |
| 活性炭 | 1 | 44.2 | 8.8 | 42.6 | 8.5 |
| 2 | 55.0 | 5.5 | 46.3 | 4.6 | |
| 5 | 68.5 | 2.7 | 62.0 | 2.5 | |
| 10 | 87.9 | 1.8 | 76.8 | 1.5 |
結(jié)果表明，在所有吸附劑濃度(1,2,5和10 g·L -1)下，活性炭對Nd和Sc的吸附效率最高，在最高濃度時(shí)達(dá)到近88%和77% g·L -1)。因?yàn)榛钚蕴勘绕渌牧暇哂写蟮枚嗟谋缺砻娣e(912.10米2 · 克-1)相比生物炭Sd350(4.71米2 · 克-1)，計(jì)算的吸附百分比與每種吸附劑的表面積不成正比。對于這兩種吸附劑，顯示出的Nd相比鈧吸附最高傾向，這可能是離子半徑較大的結(jié)果。最后，兩種吸附劑對Nd和Sc的吸附速率非常相似，隨著吸附劑濃度的增加，吸附量減小。
本研究結(jié)果表明，活性炭比其他材料更好的吸附水溶液中的稀土元素，如釹和鈧。動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)表明，吸附符合偽二級動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，而平衡數(shù)據(jù)表明其符合Freundlich等溫線模型。主要的吸附機(jī)理包括化學(xué)吸附和離子交換。選擇最有效的活性炭和最佳的實(shí)驗(yàn)條件，使其達(dá)到最大的吸附效率應(yīng)該基于地球化學(xué)模擬和形態(tài)分析的結(jié)果，以及pH值PZC的測定。
從農(nóng)業(yè)和其他廢棄物開發(fā)廉價(jià)高效的吸附劑是一個(gè)有趣的研究問題，因?yàn)樗鼈兊纳a(chǎn)促成了廢物的增值，并符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的原則。根據(jù)本研究的結(jié)果，提出進(jìn)一步研究需要：(1)評估不同農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)的活性炭的吸附效率，(2)通過不同類型的熱解來優(yōu)化活性炭生產(chǎn)，以平衡產(chǎn)率和工藝經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)改善其性質(zhì)(例如，結(jié)構(gòu)，孔隙率，表面積，特定官能團(tuán)和可用活性吸附位點(diǎn)的存在)，(3)確定可能影響pH PZC的表面改性的效果 并能夠在更寬的pH范圍內(nèi)吸附稀土元素。
本文作者：董帝豪
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