2019年醋酸在活性炭上的吸附

1、第19卷第2期2004年4月化学实验活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附实验条件探索夏春兰王聪玲楼台芳（武汉大学化学与分子科学学院武汉430072）摘要通过活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附实验，确定合适的醋酸水溶液浓度范闱 和振荡时间等实验条件,该实验条件随实验温度变化而不同。用SA3100表面积分析仪测定活性炭 的比表面枳,并与该方法测定的活性炭比表面积数值进行比较，分析了该实验方法产生误差的原 因。多孔或高度分散的吸附剂对气体或液体具有较强的吸附能力，吸附剂吸附能力的大小与 其比表面积有关。比表面积是评价吸附剂、催化剂性能的重要数据;测定比表面枳是大学物 理 化学实验中的一个重要实验。由于吸附

2、剂表面结构的不同，对不同吸附质的相互作用也不同, 因而吸附剂对吸附质的吸附具有选择性，例如活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附。本实验在一定温度卞，通过控制不同的醋酸水溶液浓度和振荡时间,测定活性炭在醋酸水 溶液中对醋酸的吸附量，确定合适的醋酸水溶液浓度范I制和振荡时间等实验条件，发现该实验 条件随实验温度变化而有所不同;用美国BECKMANCOULTER公司的SA3100SurfaceArea Aiialyzer（表面积分析仪）测定活性炭的比表面积,与该方法测定的活性炭比表面积数值进行 比较,分析该实验方法产生误差的原因。1实验条件选择实验方法见北京大学物理化学实验中固体在溶液中的吸附实验1O实

3、验体系为活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附，活性炭为分析纯,20目。实验前将活性炭在100°C以上烘 干,抽真空24h。数据处理采用Ongm软件，拟合直线的相关系数大于0. 99。1.1醋酸水溶液浓度范围的选择实验温度24. 0°C,振荡时间l.Oho整个实验中振荡速度相同，以活性炭能翻起为准。实 验结果见表1。表1活性炭在不同浓度醋酸水溶液中对醋酸的吸附实验数据（实验温度24.0°C）C0mol-L-1cmol-L-1mg r mol-g -10mol-L-1cmol-L-1mgrmobg-10. 0234 0. 0127 1.0032 5.33x10-40. 3

4、517 0. 3096 1. 0087 0. 002090. 0469 0. 0321 1. 0072 7. 35x10-40. 4689 0. 4134 1.00130. 002770. 0938 0. 0676 1.00110. 00131 0. 5862 0. 5201 1. 00770.003280. 1407 0. 1087 1.00060. 00160 0. 7034 0. 6364 1. 00160.003340. 2345 0. 1927 1.00420. 00208 0. 9378 0. 8594 1. 00200.0039104大学化学表1中c0为醋酸溶液的初始浓度,c为吸

5、附后醋酸溶液的平衡浓度,m为活性炭的质量，为吸附量。r=（co-c） V/ m, V=0. 05Lo吸附等温线见图1。由图1可知,浓度较低时吸附量随浓度的增加上升较快，随着浓度的增加,吸附量上升减 缓,吸附逐渐趋于饱和。当溶液浓度较低时,吸附为单分子层吸附，可用Langmuu-公式分析。Langmuir吸附方程式：1' =8cK1+Kc演算得：1r18KX11roo以1对1c作图，可以看出初始浓度人于0. 351711101/L的第610点不在直线上，即该5个 点不符合Langmuir公式,因此取浓度较低的前5个点拟合直线，如图2。图1活性炭对醋酸的吸附等温线图2121c拟合直线图（活

6、性炭吸附醋酸）由图2可知,拟合的直线为1/T =329+32. 5/c,R=0. 9955。因此在24. 0°C时选择醋酸 溶液的浓度范围为0. 02340. 234511101/Lo图2中拟合直线的截距为329, r 8为截距的倒数，则饱和吸附量r 8为3. 04X10-3mol/go比表面积S0 = rooX6. 023X1023X24. 3x10-20m2/g,其中 6. 023X1023为阿伏加德罗常数,24.3X10-20为醋酸单分子所占的面积（m2），由此计算出活性炭的比表面积为444m2/g。1.2振荡时间的选择实验温度24. 0°C,振荡时间分别为0.5、1

7、.0、1.5和2. Oh。数据处理方法同1. 1。实验 数据见表2。表2不同振荡时间的实验数据（实验温度240°C）振荡0. 5h振荡1. 5h振荡2. 5h 0mol-L-1cmol-L-1mgc0mol-L-1cmol-L-1mgc0mol-L-1cmol-L-1mg0. 0234 0. 0124 1. 0154 0. 0234 0. 015 1. 1101 0. 0234 0. 0113 1. 05670. 0469 0. 0297 1. 0903 0. 0469 0. 0292 1. 043 0. 0469 0. 0298 1. 07930. 0938 0.06761. 02

8、170.0938 0. 06761. 0225 0. 0938 0.06511. 08080. 1407 0.10771. 06370.1407 0. 11021. 0024 0. 1407 0.10571. 01020. 2345 0.19491. 04220.2345 0. 18791. 0137 0. 2345 0.19421. 04790. 3517 0.30321. 02470.3517 0. 30071. 0821 0. 3517 0.29891. 05661 4振荡 0. 5h,拟合直线为 1/r =373+26. 8/c（取 1 5 点）,R=0. 9972,S0 =39211

9、12振荡lh的实验数据见表1,拟合的直线为1/ T =329+32. 5/c（取15点），R=0. 9955,S0 =444m2振荡 1. 5h,拟合直线为 1/r =288+35. 3/c（取 1 4、6 点）,R=0. 9992,S0 =508m2振荡2. Oh,拟合直线为1/r =333+27. 6/c（取15点），R=0 996850 =439m2/g。多次实验发现，振荡时间过短或过长，测得的比表面积都会偏小。振荡时河过短则吸附未 达到平衡，而振荡时间过长会使醋酸解吸。因此只有选择合适的振荡时间，测得的比表面积才 较准确，即存在一个最佳振荡时间。最佳振荡时间应选择测得的比表面积最人的时

10、河，在24. 0°C下选择振荡时间为1.5h。1. 3实验温度对实验条件的影响吸附受温度的影响很大，因此不同的实验温度应选择不同的实验条件（这里所说实验条 件指醋酸溶液浓度范闱和振荡时间）。多次实验发现，随着实验温度的I、降，选择的醋酸溶液初 始浓度应降低，振荡时间应增加。不同实验温度测得的活性炭比表面枳见表3。表3不同实验温度测得的活性炭比表面积25. 0°C 24.0°C 23. 0°C 1&0°C 5. 0°Ct振荡hS0ill2g-1t振荡hS02g-1t振荡hS0t振荡hS0m2g-1t振荡hS0m2g-10. 5

11、450 0. 5 392 0. 5 330 1. 0 398 1. 0 3941. 0 504 1. 0 444 1.0 336 2. 0 405 2. 0 6541. 5 458 1. 5 508 1. 5 406 2. 5 310 2. 5 4732. 0 340 2.0439 2.0 311 3.0 343 3. 0 532实验得出不同实验温度卜应选择的实验条件见表4o表4不同实验温度下应选择的实验条件t/ °C c0/(mol-L-1八振荡/h28. 0 0. 02340. 3517 0. 525. 0 0. 02340. 2345 1.024. 0 0. 02340. 23

12、45 1. 518.0 0. 02340. 2345 2.05. 0 0. 02340. 2345 2. 02用SA3100表面积分析仪测定活性炭的比表面积(1) 实验方法:称取活性炭约0. lg(根据仪器要求，样品比表面积人于30m2/ g,最佳样品量为0. 1-0. 2g)，在300°C下脱气60iuino然后在液氮(-196°C)环境中吸附N2，测定氮气相对压力为00. 2时的吸附等温线。计算方法:采用多分子吸附EET公式，仪器自动分析、计算，得到0°C时活性炭的比表 面积。测定的吸附等温线如图3。测试数据见表5。图3活性炭对N2的吸附等温线表5 SA310

13、0表面积分析仪测定活性炭比表面积的部分数据PSP0Vcm3g-1(PSP0)/V(l-pspo)g-cm-3pspoVcm3g-1(pspo)/V(l-pspo)g-cm-30. 0512 248. 1 2. 18x10-40. 1158 264.6 4. 95x10-40. 0610 251. 7 2. 58x10-40. 1342 267.6 5.79x10-40. 0709 254.7 2.99x10-40. 1552 270. 5 6. 79x10-40. 0807 257.4 3.41x10-40. 1756 273.0 7. 80x10-40. 1010 261.9 4. 29x1

14、0-4表5中ps为N2的压力,po为N2的饱和压力,psZPo为N2的相对压力,V为N2的吸附 体积。根据BET公式，将(pSZPO)/(V(l-pS/po)对ps/po作图并拟合直线，如图4。图4PSPOV(l-ppo的拟合直线图（活性炭吸附N2由图4可知，拟合直线为(psP0)/(V(l-pSP0) = 3.20x10-5+4. 64x10-3XPPo,R=0. 999 o Vm=l/ （截距+斜率）?Vm=217cm3,Vm为气体在固体表面上形成单分子层时的吸附体积。活性炭的比表面积为：s =VrnNAo22.4x103m2/g式中NA为阿伏加德罗常数,c为一个N2分子的截面积，为16.

15、2X10-201112，计算得活性炭的比表面积S为945m234活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附和活性炭在液氮坏境中对N2的吸附两种方法的 实验条件及实验结果比较，见表6o表6两种方法的实验条件及实验结果比较实验方法使用仪器吸附质实验温度吸附类型计算公式比表面枳活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附HY24调速多用振荡器醋酸室温物理吸附，单分子层Langmuk 公式508m2/g(24. 0°C)活性炭在液氮坏境中对N2的吸附SA3100表面积分析仪N2-196°C物理吸附，多分子层BET公式945m2/g(0. 0°C)用活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附方法测定的活性

16、炭比表面枳比实际值小，原因是:(1) 活性炭表面上吸附有水分子，而计算时忽略了被水分子占据的表面积。(2) 活性炭表面上有小孔，有的小孔脂肪酸不能钻进去1O3活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附方法测定活性炭比表面积误差分析除了上述该方法测得的活性炭比表面枳比实际值小的两个原因之外，该实验过程中产生 误差的原因有：(1) 吸附受温度的影响很人，不同的实验温度测得的比表面积数值不同。(2) 实验条件影响比表面积的测定值,根据实验温度选择合适的醋酸溶液浓度范I制和振 荡时间。醋酸溶液浓度太小,吸附达到平衡的时间延长;醋酸溶液浓度太大,不符合Langmuir 单分子层吸附公式。振荡时间过短或过长，测得的

17、比表面积数值都会偏小。(3) 活性炭的前处理及保存影响比表面枳的测定值。新鲜的活性炭应在100°C以上烘干, 抽真空241U用过的活性炭先用蒸饰水浸泡、超声清洗至水中性，在100°C以上烘干，再抽真空 24h,回收使用，密封保存。(4) 活性炭在称量过程中，由于暴露在空气中，会吸附空气中的气体，因而导致测定的活 性炭比表面积偏小。应尽量减少活性炭暴露在空气中的时间。(5) 准确的醋酸溶液浓度很重要，醋酸溶液浓度的微小误差可导致比表面积较人的误差。 因此，配置和测定醋酸溶液浓度要准确，且操作过程中要防止醋酸的挥发。(6) 操作中应先配置好醋酸溶液，最后加入活性炭，防止活性炭吸附水而产生误差。(7) 数据处理的方