活性炭对丁酮的吸附动力学研究

活性炭对丁酮的吸附动力学研究

黄丽;杨华;孙康;刘石彩

【摘 要】研究了2种活性炭(木质活性炭和煤质活性炭)对丁酮的吸附,重点考察了

活性炭的吸附时间、吸附温度和丁酮载气流量对丁酮吸附的影响,并用准一级、准

二级、Elovich和Bangham 4种动力学模型对活性炭在不同温度条件下对丁酮的

吸附行为进行了动力学拟合,确定其动力学吸附模型.实验表明:不同的活性炭对丁酮

的吸附过程不同;活性炭对丁酮的吸附是一个吸附和解吸同时存在的过程,当吸附速

率和解吸速率相等时,该过程达到吸附平衡;随着吸附温度的升高,活性炭对丁酮的饱

和吸附量逐渐降低,说明活性炭对丁酮的吸附过程为放热反应;丁酮载气流量对活性

炭吸附丁酮达到饱和的时间以及吸附速率有影响,对AC-1的最终饱和吸附量影响

显著,对AC-2的最终饱和吸附量没有显著影响.这2种活性炭吸附丁酮最适宜的吸

附温度均为303K,最佳的载气流量为400 mL/min.在不同温度下对活性炭吸附丁

酮的过程进行动力学分析,发现Bangham方程计算得到的相关系数R2大于0.99,

因此,活性炭对丁酮的吸附动力学方程符合Bangham动力学方程.

【期刊名称】《生物质化学工程》

【年(卷),期】2017(051)005

【总页数】7页(P29-35)

【关键词】活性炭;丁酮;吸附动力学

【作 者】黄丽;杨华;孙康;刘石彩

【作者单位】中国林业科学研究院林产化学工业研究所;生物质化学利用国家工程

实验室;国家林业局林产化学工程重点开放性实验室;江苏省生物质能源与材料重点

实验室,江苏南京210042;中国林业科学研究院林产化学工业研究所;生物质化学利

用国家工程实验室;国家林业局林产化学工程重点开放性实验室;江苏省生物质能源

与材料重点实验室,江苏南京210042;中国林业科学研究院林产化学工业研究所;生

物质化学利用国家工程实验室;国家林业局林产化学工程重点开放性实验室;江苏省

生物质能源与材料重点实验室,江苏南京210042;中国林业科学研究院林产化学工

业研究所;生物质化学利用国家工程实验室;国家林业局林产化学工程重点开放性实

验室;江苏省生物质能源与材料重点实验室,江苏南京210042

【正文语种】中 文

【中图分类】TQ35;TQ424

活性炭是一种具有发达孔隙结构和巨大比表面积的含碳物质，能够有效吸附环境中

的有害物[1]，在日常生活中应用十分普遍。作为一种常见的吸附剂，活性炭在环

保、化工等领域得到了广泛应用，特别是在工业废气的处理过程中，活性炭常被用

于有机溶剂的回收[2]。目前，活性炭已经是人们日常生活和工业生产中不可或缺

的重要吸附材料，对活性炭吸附方面的研究十分广泛且深入。丁酮作为一种常用的

有机溶剂，应用非常广泛，主要用作工业生产中润滑油脱蜡剂、涂料、有机合成的

原料等[3]。近年来，随着丁酮使用量的增多，其在工业尾气中所占的比例不断增

大，对其回收再利用显现出较高的经济价值。目前，国内外对于酮类的吸附研究主

要集中在对丙酮等酮类研究上[4]，对于丁酮的吸附性能研究却不多。因此，本研

究对2种不同性质的活性炭在不同吸附条件下对丁酮的吸附行为进行了研究，并

对其吸附动力学进行深入的探究，以期从中找出活性炭吸附丁酮的规律，为工业应

用中丁酮的吸附回收利用提供理论支持和技术指导，从而达到环境效益和经济效益

的共赢局面。

1.1 材料与仪器

木质活性炭和煤质活性炭为2种常见的商业活性炭，购于大潮林物产有限责任公

司，基本参数如表1所示。

丁酮(分析纯)，高纯氮气(99.99 %)，吸附管，流量计，恒温水浴锅，ASAP 2020

全自动比表面积和孔隙测试仪等。

1.2 测定方法

根据 GB/T 12496.5—1999的测定方法，仿照四氯化碳吸附率测定的实验装置，

将丁酮发生器置于298 K的常温水浴器中，通过N2将丁酮发生器里的丁酮吹入

已知质量的活性炭样品吸附管(吸附管放置在不同的温度下)，并每隔5 min称量吸

附管及炭样质量，直到质量不再增加为止，记录吸附管及炭样的质量随时间的变化，

根据重量法分别计算不同吸附温度(293、303、313和323 K)、不同丁酮载气流

量(300、400、450 和500 mL/min)等条件下活性炭对丁酮的吸附量，计算公式

见式(1)。

式中： qt—t时刻活性炭对丁酮的吸附量，g/g； m1—吸附管+塞子的质量，g；

m2—吸附前吸附管+塞子+炭样的质量，g； mt—t时刻吸附管+塞子+炭样+丁

酮的质量，g。

1.3 吸附动力学方程

吸附动力学是描述吸附剂对吸附质吸附过程的重要手段，主要是用来反映吸附剂吸

附溶质速率的快慢，通过动力学模型对活性炭吸附数据进行拟合，可以得到相关参

数，从而深入探究其具体的吸附机理[5-6]。为了能够全面研究活性炭对丁酮的吸

附动力学行为，找到最适合的吸附动力学模型，本研究选用了准一级、准二级、

Elovich和Bangham 4种动力学模型，对不同吸附温度下的吸附数据进行origin

非线性拟合。

1.3.1 准一级动力学吸附模型 采用Lagergren方程[7]计算吸附速率：

对式(2)从t=0到t>0(q=0到q>0)进行积分，可以得到：

式中： qe—平衡态吸附量，g/g； k1—准一级动态吸附速率常数，min-1。

1.3.2 准二级动力学吸附模型 吸附速率计算式[8]为：

对式(4)从t=0到t>0(q=0到q>0)进行积分，整理后可以得到：

式中： k2—准二级吸附速率常数，g/(g·min)。

1.3.3 Elovich动力学方程模型 Elovich动力学方程[9]是20世纪30年代由

Elovich提出的，认为吸附速率随着吸附剂表面吸附量的增加而呈指数下降，其简

化的数学表达式为：

式中： αE—初始吸附速率常数，g/(g·min)； βE—脱附速率常数，g/g。

1.3.4 Bangham动力学方程模型 Bangham方程[10]公式可以写成如下形式：

对式(7)从t=0到t>0(q=0到q>0)进行积分，整理后可以得到：

式中： t—时间，h； z—常数； k—常数，min-2。

2.1 吸附条件对吸附的影响

2.1.1 吸附时间 吸附时间是反映吸附剂性能的重要指标[11]，在丁酮载气流量400

mL/min、吸附温度303 K的条件下，AC-1和AC-2对丁酮的吸附量随时间的变

化曲线见图1。

由图1可以看出，AC-1和AC-2吸附丁酮呈现相似的趋势。在吸附初期，都是随

着吸附时间的延长，吸附量逐渐增多。但是，AC-1的曲线斜率较大，说明其吸附

速率较AC-2的大。2种炭样均在45 min时基本达到吸附平衡。此时AC-1对丁

酮的吸附量为 0.715 4 g/g，AC-2对丁酮的吸附量为 0.399 2 g/g。此后，丁酮

的吸附值基本保持不变，说明2种炭样均已接近饱和状态。再继续吸附丁酮时，

吸附量略有降低，说明活性炭对丁酮的吸附是一个吸附与解吸同时存在的过程[12]。

2.1.2 吸附温度 在丁酮载气流量为400 mL/min的条件下，改变吸附温度(293、

303、313、323 K)，分别记录AC-1和AC-2对丁酮的吸附过程，结果如图2所

示。

由图2可知，在不同的温度条件下，AC-1和AC-2对丁酮的吸附达到饱和的时间

不同。在293 K时两者达到饱和吸附所需的时间均为最长,这是因为在293 K时，

温度过低，丁酮分子的移动速率不如温度高时活跃。随着温度的升高，丁酮分子移

动速率加快，达到饱和吸附的时间逐渐缩短。同时，由图可以看出，温度在293 K

以上时活性炭对丁酮的饱和吸附量随着温度的升高呈现逐渐降低的趋势，说明温度

与丁酮的饱和吸附量呈现负相关[13]。虽然温度升高加快了丁酮分子的移动速率，

但也降低了活性炭的吸附速率，使得丁酮的饱和吸附量降低。这说明丁酮在活性炭

上的吸附为放热过程。经分析，最合适的温度为303 K。

2.1.3 丁酮载气流量 在吸附温度为303 K的条件下，改变丁酮的载气流量(300、

400、450、500 mL/min)，分别记录AC-1和AC-2对丁酮的吸附过程，活性炭

的吸附过程随时间的变化如图3所示。

由图3可以看出，AC-1和AC-2在不同载气流量下对丁酮的吸附曲线类似，两者

都是在载气流量为500 mL/min 时曲线斜率最大。但是在不同的载气流量下，

AC-1和AC-2对丁酮的吸附过程达到吸附饱和所需的时间不同。在图3(a)中，载

气流量的不同对AC-1吸附丁酮达到饱和吸附量的时间影响非常明显。当载气流量

为500 mL/min时，吸附速率最大，达到吸附平衡所需要的时间最短；当载气流

量为400 mL/min时，AC-1对丁酮的饱和吸附量最大，为0.715 4 g/g。在图

3(b)中，载气流量的不同使得AC-2吸附丁酮的过程中达到吸附饱和的时间不同，

但对于最终的饱和吸附量影响却不明显[14]。不同载气流量条件下，AC-2对丁酮

的饱和吸附量均维持在0.4 g/g左右。

2.2 吸附动力学研究

载气流量为400 mL/min的条件下对活性炭吸附丁酮的动力学进行研究。选用准

一级、准二级、Elovich和Bangham 4种动力学模型，对不同吸附温度下的数据

进行origin非线性拟合，从而研究活性炭对丁酮的吸附动力学行为，找出最适合

此吸附过程的动力学模型。具体的拟合结果如图4和图5所示，拟合所得的各模

型参数计算结果如表2所示。

从图和表可以看出，与准一级方程、准二级方程和Elovich方程相比，Bangham

方程曲线能够更好的拟合AC-1和AC-2对丁酮的吸附过程。在不同温度条件下，

Bangham方程的相关系数均高于0.99。尽管用准一级方程、准二级方程和

Elovich方程拟合的相关系数也比较高，但是这3个方程对吸附前期的拟合不如

Bangham方程拟合的准确，并且通过Bangham方程计算得到的qe数值与实际

实验得到的qe数值非常接近。以上计算结果表明，Bangham方程能够更好地描

述AC-1和AC-2对丁酮的动力学吸附过程。

通过研究2种市售活性炭即木质活性炭(AC-1)和煤质活性炭(AC-2)对丁酮的吸附

过程，得出以下结论：活性炭对丁酮的吸附是一个吸附和解吸并存的过程。随着吸

附时间的延长，活性炭对丁酮的吸附量逐渐增加；随着吸附温度的增大，活性炭对

丁酮的饱和吸附量呈现逐渐降低的趋势；载气流量影响活性炭吸附丁酮过程中达到

饱和吸附的时间，但是对AC-1的最终饱和吸附量影响显著，对AC-2影响不大。

通过对AC-1和AC-2吸附丁酮的过程进行动力学分析发现Bangham方程对实验

过程的拟合相关系数均大于0.99，并且用Bangham方程拟合出的饱和吸附量与

实验测得的饱和吸附量十分接近。因此活性炭对丁酮的吸附动力学过程遵循

Bangham动力学方程。

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