浅谈活性炭吸附铜离子的研究小结 5
往往是化学吸附的预备阶段。
物理吸附与分子在表面上的凝聚现象相似,它是没有选择性的。由于吸附相分子与气相分子间的范德瓦尔引力,因而可以形成多个吸附层。其吸附热一般小于5kcal?mol-1而化学吸附与化学反应相似,吸附作用具有一定的选择性。只有在表面存在剩余价力的活性点处才产生化学吸附,即只限于吸附单分子层,化学吸附需要气体分子在被吸附之前具有足够大的能量,这一能量的低限Ea称为吸附活化能。因此化学吸附通常需要在较高的温度下才能进行。例如钡吸附氧,当氧分子由自由空间运动到金属表现时,在范德瓦尔引力作用下结合力较弱的O—O键,在表面金属亲和力作用下,容易离解为氧原子,由于氧原子2p层的外层电子没有充 满,很容易从金属内部获得两个价电子形成稳定的外层电子结构表面吸附就从物理吸附转为稳定的化学吸附。
1.3.1物理吸附[13]
活性炭的物理吸附主要发生在去除液相和气相中杂质的过程中。
由于活性炭的多孔结构提供了很大的比表面积，从而使其非常容易达到吸收杂质的目的。众所周知，所有的分子之间都具有相互引力，而正是这个原因，活性炭孔壁上的大量的分子可以产生强大的引力，从而达到将介质中的杂质吸引到孔径中的目的。 但是，这些被吸附的杂质其分子直径必须是要小于活性炭的孔径，这样才能保证杂质被吸收到活性炭孔径中。为此，我们不断地改变原材料和活化条件来创造具有不同的孔径结构的活性炭，从而适用于吸附各种杂质的应用中。
1.3.2化学吸附 [14]
活性炭的表面不仅发生物理吸附，化学反应也经常发生。活性炭不仅含碳，而且在其表面含有少量的化学结合、功能团形式的氧和氢，例如羧基、羟基、酚类、内脂类、醌类、醚类等。这些表面上含有地氧化物或络合物可以与被吸附的物质发生化学反应，从而与被吸附物质结合聚集到活性炭的表面。
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目前认为，活性炭对重金属离子的吸附机理主要是重金属离子与活性炭表面的离子交换吸附，同时重金属离子与活性炭表面的含氧官能团之间发生化学反应而吸附、金属离子在活性炭表面沉积而发生的捕集物理吸附[15]。
然而有些学者[16]认为活性炭对重金属的吸附行为，可以用表面络合吸附模式描述，活性炭颗粒表面各种含羟基的集团与溶液中离子的各种形式形成表面络合而将其吸附。还有些学者认为活性炭对重金属的吸附不仅仅是一个简单的离子交换过程，活性炭上各种活性位点对重金属的吸附也是一个重要的原因，同时金属阳离子和活性炭表面的阴离子间的静电引力也起了一定的作用。
1.4活性炭吸附重金属效果的影响因素
为避免多种离子共存造成实验结果的影响，我们以单种金属离子废水（溶液）的角度讨论对活性炭吸附的处理效果的影响因素，主要包括温度、pH值、初始浓度、吸附时间等。
1.4.1温度
活性炭对重金属离子的吸附过程实际上是吸附和脱附两个过程的同时进行，一般情况下，吸附是放热过程，低温有利吸附；而脱附是吸热过程，高温有利脱附。研究发现，低温时温度对吸附容量影响不大，而且对重金属离子的吸附量可达到最佳，而当溶液温度较高（高于60℃）时，由于分子热运动的加剧，导致对吸附、脱附平衡的破坏，使吸附容量有所减小。
在实际生产中，废水的温度变化不大，因而温度对活性炭吸附含重金属离子废水的影响不大。
1.4.2 pH值
pH值对活性炭与金属离子之间的亲合力有着非常重要的影响，通常情况下，在一定范围内(临界pH值以下)，随着溶液中pH值的增加，活性炭对重金属离子的吸附量也
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在逐渐增加。当溶液pH值升高后，活性炭上负电势点增多，由于活性炭表面的官能团为弱酸性，因而吸附量增多。但是，当pH值超过一定限值时，随着pH值继续增大，溶液中的OH-与金属离子的化学作用力增大，导致金属氢氧化物沉淀的生成，从而导致吸附量的相对下降。一些学者[17]研究发现在酸性溶液中活性炭对重金属的吸附能力增加，但在碱性溶液中其吸附能力相对较低，酸性溶液比碱性溶液有利于活性炭对重金属的吸附去除。
1.4.3溶液初始浓度
根据EDL(双层静电)理论，当溶液的初始浓度增加，金属离子的去除率降低。活性炭的吸附位点是固定不变的，对金属离子的吸附量也是固定的，因此当金属离子的初始浓度增加后，去除率降低。但是张萃[18]等研究发现，用活性炭处理含砷废水时，随着溶液中砷的初始浓度的增加，砷的去除率逐渐增加，但初始浓度增加到一定程度后，去除率反而随着浓度的增加有所下降。因此，可以断定，初始浓度对活性炭的处理效果必定有影响，但具体影响视不同的重金属离子而定。
1.4.4吸附时间
在活性炭的吸附过程中，吸附时间长短也对吸附效果有较大的影响。溶液中的吸附质占据活性中心是一个渐进的过程，即需要一定的时间来使吸附达到平衡，这一段时间即所谓的吸附平衡时间。当吸附时间达到吸附的平衡时间时，活性炭才能发挥最大限度效果。活性炭吸附重金属离子的吸附容量均随吸附时间的增加而增加，但当吸附时间达到一定数值时吸附效果则基本不变。开始时吸附容量上升很快是因为此时重金属离子在活性炭上的吸附主要发生在外表面上，随着吸附的进行，吸附质逐渐由大孔经过过渡孔深入到微孔中，重金属在内孔中传质速度逐渐减慢，吸附容量随时间缓慢增加，直至达到吸附平衡[19]。
1.4.5共存离子
⑴ 共存离子为重金属离子
有学者[20]在对当pH值=3时，由核桃壳制成的活性炭对一系列单个重金属溶液等温吸附的研究中发现：Hg2+ ，Cr3+和Cu2+ 与活性炭吸附位点具有较高的亲和性。Ni2+，Cd2+，Ca2+，Sr2+ ，Zn2+，Co2+，Mn2+，Mg2+和K+与活性炭吸附位点的亲和性较弱。Na+不能被活性炭吸附。因此，根据金属离子与吸附位点的亲和性将金属分为3类：
强亲和性：Hg2+ ，Cr3+和Cu2+；
中等亲和性：Ni2+，Cd2+，Ca2+，Sr2+ ，Zn2+，Co2+，Mn2+，Mg2+和K+； 弱亲和性：Na+ 。
张萃[18]等实验发现在活性炭同时吸附铬砷时，砷的去除率峰值要比单独吸附砷的去除率高，这说明Cr(Ⅵ)的存在诱发了活性炭对砷的吸附。 ⑵ 共存离子为有机物
活性炭对有机物的吸附去除主要是物理吸附过程，但对重金属离子却是比较复杂，
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除了物理吸附以外，还可能存在化学吸附。有机物和金属离子共存的两相溶液中，物理吸附过程和化学吸附过程同时发生，但物理吸附过程更为重要。因此，重金属离子的存在不会影响活性炭对有机物的吸附，但有机物的存在却能严重影响活性炭对重金属的吸附[21]。
1.4.6其他因素
除此之外，活性炭种类、活性炭颗粒的大小以及溶液离子强度等都会影响活性炭对单个重金属离子溶液的吸附效果。常见的有：粉状活性炭、净化气体用活性炭、椰壳活性炭、果壳活性炭、煤质柱状活性炭、脱硫活性炭、桃壳净水活性炭等
果壳活性炭被广泛应用于饮用水、工业用水和废水的深度净化生活、工业水质净化及气相吸附，如电厂、石化、炼油厂、食品饮料、制糖制酒、医药、电子、养鱼、海运等行业水质净化处理，能有效吸附水中的游离氯、酚、硫和其它有机污染物，特别是致突变物（THM）的前驱物质，达到净化除杂去异味。还可用于工业尾气净化、气体脱硫、石油催化重整，气体分离、变压吸附、空气干燥、食品保鲜、防毒面具、解媒载体，工业溶剂过滤、脱色、提纯等。各种气体的分离、提纯、净化；有机溶剂回收；制糖、味精、医药、酒类、饮料的脱色、除臭、精制；贵重金属提炼；化学工业中的催化剂及催化剂载体。产品更具脱色、提纯、除杂、除臭、去异味、载体、净化、回收等功能。
图1-4-1 椰壳活性炭 图1-4-2 木质活性炭
木质活性炭。以优质木材为原料，外形为粉末状，经高温炭化、活化及多种工序精制而成木质活性炭，具有比表面积大，活性高，微孔发达，脱色力强，孔隙结构较大等特点，孔隙结构大，能有较吸附液体中的颜色等较大的各种物质、杂质。
主要用于食品、酒类、油类、饮料、染料、化工、自来水净化、污水处理、降COD、药用活性炭等各种用途脱色。
为了观察活性炭表面形貌的特征，对四种活性炭进行了扫描电镜测试。扫描电镜结果见下图3-5所示。