刘娟1,田葆春2,陈鹏飞1,解强1
(1.中国矿业大学化学与环境工程学院,北京100083;2.北京印钞有限公司,北京100054)
摘要:利用亚甲蓝分光光度分析法测定典型市售煤基和木质活性炭对溶液中十二烷基硫酸钠(SDS)的液相吸附等温线,确定活性炭对SDS的吸附容量;采用气体吸附仪表征活性炭的孔结构和比表面积,检测了活性炭样品的碘值及亚甲蓝值;最后关联活性炭吸附性能指标、比表面积与SDS吸附容量之间的关系。结果表明:以长焰煤、无烟煤、褐煤及椰壳为原料制备的4种活性炭对SDS的吸附容量分别为390mg/g,410mg/g,434mg/g及459mg/g;活性炭对SDS的吸附容量与活性炭的比表面积相关性不明显,却随碘值和亚甲蓝值的增大而增大,这可作为用于脱除电镀液中SDS的活性炭的选择依据。
关键词:活性炭;十二烷基硫酸钠;吸附等温线;电镀液
中图分类号:TQ153 文献标识码:A 文章编号:1000-4742(2011)03-0037-04
前言
十二烷基硫酸钠(SDS)是一种典型的阴离子型表面活性剂,其特定的润湿力和良好的可生物降解性使其在电镀工业中常被用作润湿剂,用以增强金属离子的分散性,减小液-固、气-固接触面的表面张力,避免阴极析出的氢气停留造成针孔,提高产品表面的平滑度和光亮度,改善电镀效果。然而,循环镀液中残余的SDS会使产品品质下降,造成设备损耗且废液中的SDS也会对水环境、土壤结构及人类健康造成危害。
目前,去除水中表面活性剂的方法有混凝沉降法、泡沫分离法、膜分离法、吸附分离法、催化氧化法、微电解法和生物氧化法等。其中,以活性炭作为吸附剂的吸附分离法吸附量大,工艺简单,成本较低,是较经济实用的方法。然而,活性炭种类繁多,性能随原料种类、制备工艺、改性方法等差异很大。迄今为止,关于活性炭种类与SDS吸附容量的研究尚不系统、深入。
本文选取4种具有代表性的市售商品活性炭为样品,分别测定其对SDS的吸附等温线,关联活性炭比表面积、吸附性能与其SDS吸附容量间的关系,期望对用于脱除电镀液中SDS的活性炭的选择提供依据。
1·实验
1.1 材料、试剂及仪器
选用以无烟煤、长焰煤、褐煤和椰壳为原料制成的4种市售典型商品活性炭为吸附剂样品,分别记作AC-1,AC-2,AC-3,AC-4。将活性炭样品洗涤、自然干燥后,研磨至透过200目筛(0.074mm),置于电热恒温干燥箱内,在100°C温度下干燥48h。将制备好的粉末活性炭放入干燥器中备用。
主要试剂有:氢氧化钠(1mol/L),硫酸(0.5mol/L),氯仿,十二烷基硫酸钠标准溶液(10.0mg/L),亚甲蓝溶液(30mg/L),磷酸二氢钠洗涤液(50g/L),酚酞(指示剂),在索式抽提器中经氯仿抽提后的脱绵纸。
研究中使用的主要仪器有:紫外-可见分光光度计(UV-9600型,北京瑞利分析仪器公司),250mL分液漏斗(聚四氟乙烯活塞),索式抽提器(150mL平底烧瓶,Φ35×160mm抽出筒,蛇形冷凝管),超声波清洗器(KQ5200B型,昆山市超声波仪器有限公司),恒温水浴振荡器(SHZ-88型,江苏太仓市实验设备厂)。
1.2 活性炭的表征
按GB/T7702.7-2008和GB/T7702.6-2008测定活性炭的碘吸附值和亚甲蓝吸附值指标。
采用Nova-1200型气体吸附仪(美国Quantachrome公司)测定液氮温度下活性炭的氮气吸附/脱附等温线;用BET法计算活性炭的总比表面积,用t-plot法计算其微孔比表面积,相减得大、中孔比表面积;将相对压力为0.995时的氮气吸附容量换算成液态氮气的体积,即为活性炭的总孔容,与t-plot法计算得到的微孔孔容相减得大、中孔孔容。
1.3 SDS的测定
目前水中SDS的质量浓度的测定方法有可见分光光度法、色谱法、流动注射分析法、共振光散射分析法等。其中,可见分光光度法灵敏性高,吸光度稳定,共存离子的干扰较小,且操作简单,原料成本较低,是比较经济可行的方法。
本研究中采用亚甲蓝分光光度法(GB7494-37)测定水中SDS的质量浓度。
取分液漏斗10个,分别配置100mL不同质量浓度的SDS标准溶液,将溶液的pH值调至中性。分别加入25mL亚甲蓝溶液,用氯仿反复萃取,将氯仿层移入50mL容量瓶中,加氯仿到标线。在652nm波长处,以氯仿为参比液,测定10个萃取溶液的吸光度(A),做A-ρ标准曲线。取适量待测SDS溶液,与水混合至100mL,根据以上方法测得萃取溶液的吸光度,根据标准曲线反推待测溶液的质量浓度。
1.4 实验条件的确定
为测定活性炭对SDS的吸附等温线,需要确定的基本实验条件是活性炭的质量与溶液体积的比例。首先以AC-1为样品,初步进行了探索实验。
镀液中SDS的质量浓度一般在0.5~5.0g/L之间,工作温度在50°C左右。配制质量浓度为2g/L的SDS溶液作为探索溶液,分别取20mL,30mL,35mL,40mL,45mL,50mL该溶液于6个锥形瓶中,加入0.2g的AC-1。将6个锥形瓶置于50°C下恒温振荡24h,使吸附饱和,过滤,测滤液中SDS的质量浓度,根据式(1)计算吸附容量。
式中:E为SDS的吸附容量,mg/g;ρ0为溶液中SDS的初始质量浓度,g/L;ρ为吸附过后滤液中SDS的质量浓度,g/L;V为所取SDS溶液的体积,mL;m为活性炭的质量,g。
图1为SDS吸附容量随溶液体积的变化。由图1可知:SDS的吸附容量随着溶液体积的增加而急剧增大;当溶液的体积超过35mL后,活性炭对SDS的吸附容量随溶液体积的变化速率逐渐减小;当溶液的体积超过45mL后,吸附容量的变化趋于平缓。
1.5 吸附等温线的测定和绘制
配制质量浓度为0.5,1.0,2.0,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0g/L的SDS溶液,标定其质量浓度。分别取质量为0.2g的4种活性炭样品于4个锥形瓶中,分别加入35mL同一质量浓度的溶液,根据1.4中的方法测得4种活性炭对同一质量浓度的SDS溶液的吸附容量,实验时做平行样。以此类推,可测得4种活性炭对8个不同质量浓度的SDS溶液的吸附容量,进而绘制出对应的吸附等温线。
2 结果与讨论
2.1 标准曲线的绘制
图2为根据亚甲蓝分光光度法测得的SDS的质量浓度的标准曲线。标准曲线的拟合方程为y=0.5595x+0.0073,拟合系数达到0.9992。说明用亚甲蓝分光光度法测定溶液中SDS的质量浓度,吸光度稳定,结果比较准确,受干扰性小,且操作简单,成本较低,是一种经济可行的方法。
