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介孔碳CMK-3对苯酚的吸附动力学和热力学研究

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Vo1.28 2 0 0 7年2月 高等学校化学学报 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES No.2 289—292 介孔碳CMK-3对苯酚的吸附动力学和热力学研究 郭 卓 ,袁悦 (1.沈阳化工学院材料科学与工程系,沈阳110142;2.沈阳药科大学药学院,沈阳110016) 摘要研究了介孔碳CMK一3对苯酚的吸附性能,与传统商用活性碳(CAC)进行了比较,结果表明,CMK-3 比CAC的吸附量大、吸附速率快、达到平衡时间短,是一种较好的吸附剂.同时探讨了介孔碳CMK.3对苯 酚的吸附热力学和动力学特征.CMK-3对苯酚的吸附行为可用Langmuir和Freundlich等温式进行描述,相关 性都较好,但更符合Freundlich经验公式.分别采用模拟一阶反应和二阶反应模型考察了吸附动力学,并计 算了这些动力学模型的速率常数.模拟二级反应模型和实验数据之间有较好的相关性.分别计算了热力学 参数△ ,△Is0和△ ,结果表明,CMK-3对苯酚的吸附过程是吸热和自发的. 关键词介孔碳;苯酚;吸附动力学;吸附热力学 0647.3 文献标识码A 文章编号0251-0790(2007l02-0289-04 中图分类号苯酚是重要的基本有机原料之一.苯酚具有毒性和腐蚀性….目前从废水中去除有机污染物的主 要方法有微生物降解法、化学氧化法和吸附法等.活性炭由于其具有比较大的比表面积和较强的吸附 能力,是重要的吸附材料之一 “ .然而,活性炭材料中微孔(孔径<2 nm)占据很大的比例,相对大 一些的分子或化合物不能进入其孔道中,从而大大降低了活性炭的吸附能力[5.6].Ryoo等[7 制备了 有序介孔碳CMK— ( =1~5),这些介孔碳具有大的孔容,高的比表面积,规则排列的孔结构和化学 稳定性.本文采用介孔碳CMK-3作为吸附剂吸附苯酚,与传统商用活性炭(CAC)进行了比较,研究了 其对苯酚的吸附动力学和热力学性质. 1 实验部分 1.1仪器与试剂 粉末XRD数据在Siemens D5005 X射线衍射仪上收集,管电压40 kV,管电流50 mA,cu^ ;氮 气吸附/脱附在ASAP 2010分析仪上于77 K温度下测得;752A型紫外一可见分光光度计. 苯酚(化学纯,北京化学试剂公司). 1.2介孔碳CMK-3的制备及其吸附实验 SBA-15由吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室提供.以SBA一15为模板合成了介孔碳 CMK-3,具体的合成方法参考文献[9]. 取一定量的苯酚溶于水中,配制成浓度为2O~300 ms/L的溶液.在lO,25和4O℃下,分别取 100 mL不同浓度的苯酚溶液,再分别加入0.1 g CMK-3和CAC,充分搅拌后进行吸附测试,在一定时 间间隔内抽取一定量过滤后,用分光光度计在269.2 nm处进行测量,计算吸附量. 2结果与讨论 2.1吸附剂的物理性质 图1是CMK-3和CAC的氮气吸附一脱附曲线和孔径分布图.根据多孔物质的分类,孔径在2~50 nm的为中孔(介孔),实验测得CMK-3的BET比表面积为1480 m /g,BJH平均孔径分布为3.7 nm, 介孔孔容为0.86 cm /g,总孔容为0.99 cm /g,介孔容积则约占总容积的87%(见表1).表明CMK-3 收稿日期:2006-08-25. 基金项目:辽宁省教育厅2004年度高等学校科学研究项目计划(批准号:20041)073)资助. 联系人简介:郭卓(1975年出生),女,博士,副教授,主要从事无机材料的合成.E-mail:guozhuo2003@syict.edu.cn 维普资讯 http://www.cqvip.com

高等学校化学学报 是一种新型的介孔材料. ∞ 目 ∞如∞如加m 0 雪 襄 Relative pressure(p/po) Relative pressure(p/po) Fig.1 Nitrogen adsorption/desorption isotherms and porosity distribution of CMK-3(A)and CAC(B) Table 1 Physical properties of the CMK-3 and CAC 2.2吸附量研究 一 一l10口dJ0∞q《 图2是CMK-3与CAC对苯酚的吸附量与时间的关系曲线,苯酚的起始质量浓度为100 mg/L.从 图2可见,吸附量随时间的增长而增加,CMK-3在45 min左右达到了吸附平衡,CAC达到吸附平衡用 的时间比CMK-3的长,当吸附剂结构中存在大量介孔时,达到吸附平衡的时间较短.吸附量也随温度 的升高而增加,在4O℃时,CMK-3和CAC表现出最大的吸附能力,分别为70.8%和50.1%. 叠 。 口 o q t/min mln Fig.2 Adsorption curves of phenol on CMK-3(A)and CAC(B)uptake values at 10,25 nd40 oaC,respectively(pn=100 mg/L) 在1O,25和4O℃下,取100 mL浓度为2O~300 mg/L的苯酚溶液,分别加入0.1 g CMK-3,测定 吸附等温线.将实验数据分别与Langmuir吸附等温方程和Freundlich吸附等温方程进行拟合: g。=Qo Lc。/(1+KL・c。) g。= ・c。1/ (1) (2) 式中,Q。为形成单分子层的最大吸附量(mS/S);g。为平衡吸附量(mS/S);c。为平衡浓度(mS/L);K 和 为平衡吸附系数,n为经验常数.实验结果见表2和表3. Table 2 Equilibrium uptake capacities and adsorption yields obtained at diferent initial mass concentrations and temperatures 由图3可见,CMK-3对苯酚的吸附分别符合Langmuir和Freundlich吸附等温方程,这说明在实验 范围内CMK-3对苯酚的吸附可近似用Langmuir和Freundhch吸附等温方程式来描述,但吸附过程由 维普资讯 http://www.cqvip.com

No.2 郭卓等:介孔碳CMK-3对苯酚的吸附动力学和热力学研究 291 ^ 1.∞一。 4 3 3 2 2 l l O 0 0 5 0 5 0 5 0 5 O Freundlich吸附等温方程式拟合的相关性更好.由Freundlich吸附等温方程式拟合的苯酚的常数值n均 大于1,这表明在所研究的范围内均为优惠吸附过程Do]. cd(mg‘L ) In[cd(mg‘L )J Fig.3 Linearized Langmuir adsorption ̄erms(A)and Freundlich adsorption isotherms(B)ofphenol on CMK-3 2.3吸附动力学性质 2.3.1模拟一级模型吸附动力学一级模型可以用Lagergren方程描述: lg(g 一g )=lgq 一klt/2.303 (3) 式中,q。(mg/s)为平衡吸附量;q (ms/s)是某一时间的吸附量;k 是吸附动力学速率常数. 用式(3)对CMK・3在不同温度下的苯酚溶液作lg(q。一q )~t曲线图[图4(A)].吸附动力学速率 。∞ 吕 S I。 t/airn t/airn rig.4 Pseudo・ifrst-order(A)and pseudo・second・order(B、adsorption kinetics of phenol on CMK-3 at diferent temperatures 常数k。的拟合计算结果列于表4.由表4可知,随着温度的升高,吸附动力学速率常数后。逐渐变大,即 到达平衡的时间越来越短. Table4 Change ofthe pseudo-firsto and second-order reaction rate constants with the increase oftemperature 2.3.2模拟二级模型吸附动力学二级模型可以用Mc Kay方程描述: t/q =1/k2g +t/q (4) 用式(4)对CMK一3在不同温度下的苯酚溶液作t/q 一t曲线图[图4(B)].从图4可以看到,拟合 出的也是一条直线,很好的线性相关性可以说明吸附反应可以近似用二级反应模型来描述.吸附动力 学速率常数.I}:的拟合计算结果列于表4.由表4可知,相对于模拟一级反应模型,二级反应模型结果相 关性更好,更能真实地反映CMK-3吸附含苯酚溶液的反应机理. 维普资讯 http://www.cqvip.com

292 高等学校化学学报 V01.28 2.4吸附热力学性质 将二级反应实验数据代入方程并以lnK对1/T作图(InK=一AH ̄/RT+△s。/R),结果如图5所示. 从图5可看出,InK与1/T呈较好的线性关系,由 直线的斜率可求得CMK一3对苯酚的焓变△ 为 9.39 kJ/mol,由直线的截距可求得熵变AS。为 66.14 J/(mol・K).Ano为正值,说明吸附为吸热 过程.随温度升高,吸附量增加,△ 为正值说明 在吸附过程中苯酚在CMK一3上的吸附是焓推动过 程.将△ 和△ 代入方程△G0=Ano—TAso中, 计算在lO℃,25℃和40℃下苯酚的△Gu分别为 9.33,一l0.32和一11.31 kJ/mol,自由能的变化 一5 r /K1 Fig.5 InK PS.I/T plot △G0均小于0,说明吸附质倾向于从溶液到吸附剂表面,吸附是自发进行的. 参考文献 [1] SwamyM.M.,MallI.D.,Prasad B.,et a/..PoHut.Res.[J],1997,16(3):l7O—l75 [2] CHEN Shui-Jia(陈水挟),XU Rui—Mei(许瑞梅),HUANG Hui・Xing(黄慧星),et a1..Ion Exchange nd Adsaorption(离子交换与吸 附)[J],2006,22(1):l5—2l [3] CHEN Feng—Ting(陈风婷),ZENG Han—Min(曾汉民).Ion Exchange and Adsorption(离子交换与吸附)[J],2004,20(2):lO—l8 [4] GUO Zhuo(郭卓),ZHU Guang—Shan(朱广山),XIN Ming・Hong(辛明红),et a/..Chem.J.Chinese Universiites(高等学校化学学 报)[J],2006,27(1):9一l2 5 6 7 Avom J.,Mbadcam J.K.,Noubactep C.,et a1..Carbon[J],1997,35(3):365_369 Otowa T.,Nojima Y.,Miyazaki T...et a1..Carbon[J],1997,35(9):l3l5一l3l9 Kmk M.,Jaroniec M.,Ryoo R.,et a1..J.Phys.Chem.B[J],2000,104(33):7960--7968 Joo S.H.,Jun S.,Ryoo R..Microporous Mesoporous Mater.[J],2001,44/45(1):l53一l58 Jun S.,Joo S.H.,Ryoo R.,et a1..J.Am.Chem.Soc.[J],2000,122(43):10712--10713 McKay G.,Blair H.S.,Garden J.R..J.App1.Polym.Sci.[J],1982,27(8):3043--3057 8 9 10 Kinetics and Thermodynamics of Adsorption of Phenol onto Mesoporous Carbon CMK-3 GUO ZhuohYUAN Yue ,(1.School ofMaterials Science and Er,gi, ̄ering,Shenyang Institute fChemiocal Technology,Shenyang 110142,China; 2.School,Pharmacy,Shenyang Pharmaceutical Universtiy,Shenyang 110016,Chia)n Abstract Mesoporous carbon CMK-3 was used to adsorb phenol from water by comparing its adsorption abili— ty with commercial spherical activated carbon(CAC).CMK一3 had a hi gher adsorption capacity and faster ad— sorption rate than CAC.The adsorption property of phenol onto the mesoporous carbon CMK一3 was discussed from the thermodynamic and kinetic viewpoints.The adsorption parameters for Langmuir and Freundlich iso— therm models were determined for CMK一3.Both isotherms wel' ̄suitable models to analyze the equilibrium data f0r the phenol adsorption.However.the Freundlich model fitted better than the Langmuir mode1.The adsorp— tion kinetics was tested with the pseudo—first—order and pseudo—second—order reaction mode1.The rate con— stants of adsorption for these kinetics models were calculated.The pseudo—second—order kinetic model provided he best correltation of the experimental data compared to the pseudo-first—order mode1.The t}Iermodynamie constant of he adstorption process AGo△so and A were evaluatedThese show that adsorption of phenol ..on CMK-3 Was endothermic and spontaneous. Keywords CMK一3;Phenol;Adsorption kinetics;Adsorption thermodynamics (Ed.:V,I) 

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