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行，第一階段相當快，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。據(jù)觀察，鋯離子擴散到活性炭孔隙中控制著吸附過程的動力學。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。

鋯是化學和核工程以及冶金和航海技術中的重要材料，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，鋯在核技術中的應用至關重要，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，微孔結構，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，將其溫度預先調(diào)整到所需的值。經(jīng)過預定的時間后，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，當吸附平衡建立時)達到恒定值。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。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散更快并且可以進行到更大的程度。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合離子[Zr4(OH)2(H20)16]8+。HCl的釋放導致溶液中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，因此四聚體絡合離子可能與該酸性基團形成表面絡合物。

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)擴散可能是控制鋯離子吸附速率的步驟。

根據(jù)動力學方程中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。活性炭的值是負值，正如對自發(fā)過程所預期的那樣。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。