有机改性膨润土对甲基橙的吸附实验总结_膨润土吸附实验方案

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有机改性膨润土对甲基橙的吸附实验总结

实验步骤；

第一步：制备有机膨润土。

称取20g膨润土分散到400mL蒸馏水中搅拌并加热到40℃，开始缓慢滴加1.8gCTMAB所配置的溶液，恒温搅拌140min.抽滤，洗涤后放入干燥箱，于80℃恒温干燥至恒重。研磨有机膨润土。

第二步：研究有机膨润土吸附最佳条件。

从吸附时间，膨润土用量，吸附温度，甲基橙浓度四个方面进行探究。

2.1甲基橙的配制：配制1000mL的100mg/L的甲基橙溶液。配制2、4、6、8、10mg/L的甲基橙溶液，对甲基橙做光谱扫描，扫描范围为200nm～700nm，测定其最大吸收波长为466nm，以吸光度对浓度作图，得到MO的标准曲线，如图1所示。

标准曲线0.80.70.60.50.40.30.20.10024y = 0.0705x + 0.0033R2 = 0.9997A6C(mg/L)81012

图1 MO的标准曲线

2.2 称取0.5g的膨润土在室温下边搅拌边加入100mL的甲基橙溶液中，每5 min取一个样，经离心后测其吸光度和COD。记录数据，作图：吸附率—时间、COD去除率—时间。找出最佳吸附时间为30min.如图2、3所示。

图2 为时间对脱色率的变化曲线。

图3为时间对COD去除率的变化曲线。

2.3再分别称取0.6g，0.7g,0.8g，0.9g膨润土在室温下边搅拌边加入到100mL的甲基橙溶液中，搅拌30min。经离心后测其吸光度和COD。作图：吸附率—用量、COD去除率—用量。找出最佳吸附用量为0.8g.如图4、5所示。

图4为用量对脱色率的变化曲线。

图5为用量对COD去除率的变化曲线。

2.4再称取0.8g的膨润土分别在20、25、30、40℃下边搅拌边加入到100mL的甲基橙溶液中，搅拌30min。经离心后测其吸光度和COD。作图：吸附率—温度、COD去除率—温度。确定最佳吸附温度为20℃.如图6、7所示。

图6为温度对脱色率的变换曲线。

图7为温度对COD去除率的变化曲线。

2.5 分别配制浓度为100，150，200，250，300mg/mL的甲基橙溶液。称取0.8g的膨润土在20℃时，边搅拌边分别加入100mL，100，150，200，250，300mg/mL的甲基橙溶液中，搅拌30min。经离心后测其吸光度和COD。作图吸附率—浓度，COD去除率—浓度。确定最佳吸附浓度为100mg/mL。如图8、9所示。

图8为浓度对脱色率的变化曲线

图9为浓度对COD去除率的变化曲线

第三步：空白实验。

分别称取0.8g的原土和改性土在在20℃时，边搅拌边加入到100mL100mg/mL的甲基橙溶液中，搅拌30min。每5min取一个样，经离心后测其吸光度，作图脱色率—时间。比较吸附效果。如图10所示。

图10为原土和改性土的时间对脱色率变化曲线

平衡吸附等温线

在不同温度下，膨润土对甲基橙的吸附等温曲线见图所示，由图中可以看出，随着溶液中甲基橙初始浓度的增加，膨润土的吸附量qe也再增加。

图11 不同温度下的吸附等温线

从等温线所得的平衡数据是研究吸附过程所必需的参数，可以通过随着时间的变化记录各参数的变化从而获得一个特定的吸附剂吸附质体系的平衡数据，利用这些数据建立一个方程模型，借助方程去优化改进实验方案。常用的吸附等温式有Langmuir, Freundlich等温式模型

Langmuir等温式是一个理想的吸附公式，它代表了在均匀表面上，吸附分子彼此没有作用，而且吸附是单分子层情况下吸附平衡时的规律性。它的适用范围广泛，但一般只用于物理吸附。其数学表达：

qeqmKLce

（1）

1KL可将（1）式化简成下列线性关系：

cec1 e

（2）qeqmKLqm式中ce为平衡浓度(mgL-1)；qe为平衡吸附量(mgg-1)；qm为最大吸附量(mg g-1)；KL为平衡系数(Lmg-1)，分别用20℃、30℃和40℃的ce/qe对ce作图，从而可以计算出qm和KL列于表1中。

图12 293K下膨润土对甲基橙的Langmuir吸附等温线

Freundlich等温式是一个经验公式，它所适用的范围一般要比Langmuir等温式大一些，它的特点是没有饱和吸附值，可以用于物理吸附也可以用化学吸附。

其表达式如下： qeKFce1/n

（3）可将（3）式简化成线性关系：

qeloKgF

log1nloce g

（4）

式中ce为平衡浓度(mgL-1)；qe为平衡吸附量(mgg-1)；KF为平衡常数，代表吸附容量的大小（单位为(mgg-1)(mgL-1)−1/），n为Freundlich吸附指数，表征吸附强度的量度。当1/n

n小于1时，吸附容易进行，1/n大于2时，吸附很难进行。分别以20℃、30℃和40℃的logqe对ce作图（如图13），可以计算出KF和n列于表1中。

图13 293K下膨润土对甲基橙的Freundlich吸附等温线

表1 膨润土对甲基橙的吸附曲线的拟合Langmuir

T(K)KL(Lmg-1)qm(mgg-1)

293K 0.05921

RL

R2

KF 2.4216

n

R2

Freundlich

32.7869 0.1445--0.0533 0.8963 1.3714 0.9128 结合图11、12和13以及表1可知，R2的值均较高，Langmuir等温吸附线的R2比Freundlich等温吸附的 R2值低，说明Freundlich等温吸附线更能准确的描述膨润土对甲基橙的吸附这一过程。表1中的平衡参数RL=1/(1+KLc0)，其中c0是甲基橙的初始浓度，KL是Langmuir常数，参数RL表明了相应等温线的性质： RL大于1时是不利吸附；当RL在0和1之间时为优惠吸附；RL等于0时为不可逆吸附；RL等于1时为线性吸附。表1中的RL是在c0为100mgL-1时得出的，由表可知在本实验中RL在0和1之间为优惠吸附，因此膨润土可以很好的用于对甲基橙的吸附。

3.3 吸附动力学

本次实验分别测定了在不同温度（293K、303K、313K）时，吸附量随时间的变化（如图14所示）。

由图14可以看出，随着温度的升高，平衡吸附量减小。

图14 初始浓度为100mgL不同温度下吸附量随时间的变化曲线

-1为了进一步研究活性白土吸附甲基橙的机理，分别用拟一级动力学模型、拟二级动力学模型和Elovich动力学方程计算吸附动力学常数，研究吸附类型。

1、拟一级动力学模型

利用Lagergren的拟一级动力学模型[36]可以计算出吸附速率常数，方程的表达式如下：

dt K1(qeqt)

（5）dqt式中的qe和qt分别是吸附过程中的平衡吸附量和在t时刻的吸附量(mgg-1)，K1是一级动力学常数(min-1)。

假设t=0时qt=0，对等式进行积分得线性表达式为：

log(qeqt)logqeK1t

（6）2.303可根据实验数据计算出log(qe-qt)，然后分别以不同温度和不同浓度下的log(qe-qt)对t作图（如图15），根据直线的截距和斜率可以计算出qe.cal和K1结果列于表2中，根据拟合的结果可计算出R2（结果见表2），由表可以看到准一级动力学方程进行线性拟合后其相关系数在1左右，但波动较大，也就是说准一级动力学模型不能很好的描述活性白土对甲基橙的吸附过程。

图15 初始浓度为100mgL不同温度下的拟一级动力学曲线

2、拟二级动力学模型

拟二级动力学方程的数学表达式如下：

-1dqtK2(qeqt)

2（7）dt式中的qe和qt分别是吸附过程中的平衡吸附量和在t时刻的吸附量(mgg−1)，K2是二级动力学常数(gmg−1min−1)，令t=0时qt=0，t=t时qt=qt，对（9）式进行积分重排得线型关系式：

t11 t

（8）qtK2qe2qe以不同温度和不同的初始浓度的t/qt对t作图（如图3.14、3.15），根据斜率和截距计算出K2和qe列于表3中，线性拟合后所得的相关系数R2（结果见表3）均在0.99以上，即准二级动力学模型能够很好的描述膨润土对甲基橙的吸附过程。

图16 初始浓度为100 mgL-1不同温度下的拟二级动力学曲线 表2 膨润土对水溶液中甲基橙吸附的拟一级动力学参数

拟一级动力学方程

T(K)293 303 313

Kl 0.1292-4.0989 0.1241

qe(mgg)1.8370 0.6070 1.6226

表3 膨润土对水溶液中甲基橙吸附的拟二级动力学参数 拟二级动力学方程

T(K)293 303 313 K2 0.3661 0.6898 0.3757

qe(mgg−1)12.1655 12.4224 19.7239

R2 0.9999 0.9997 0.9998

qe(mg/g)(experimental)11.93848 11.5555 11.60514

−

1qe(mg/g)

R2 0.9772 1 0.9129

(experimental)

11.93848 11.5555 11.60514

综上所述，可以判定拟二级动力学方程能很好的描述吸附过程，不论是在不同温度下还是在不同初始浓度的条件下，拟二级动力学方程的相关系数R的值均在0.9997以上，此外根据拟合的方程计算得平衡吸附量qe值与实验所测得的平衡吸附量qe非常接近。可见膨润土对甲基橙的吸附过程更符合拟二级反应机理。而且随着温度的升高，吸附速率增加平衡吸附量增大，即温度升高达到吸附平衡所用的时间短。

3.4 吸附热力学参数

为了更进一步的评估活性白土对甲基橙吸附的可行性，需要计算热力学参数吉布斯自由能变(ΔG°)、焓变(ΔH°)和熵变(ΔS°)。这些参数可根据下列式子计算：

2KccAece

（9）

HoSolnKc

（10）

RTRGoHoTSo

（11）式中cAe(mgL−1)是当达到吸附平衡时与溶液的初始浓度相比减小的浓度，ce(mgL−1)是吸附平衡时溶液的平衡浓度，R是气体常数(8.314Jmol−1K−1)。

焓变(ΔH°)和熵变(ΔS°)的值可以根据lnKc对1/T拟合作图（如图17所示）所得的斜率和截距计算。由此计算出焓变(ΔH°)和熵变(ΔS°)的值列于表4中，吉布斯自由能变(ΔG°)在不同温度下的计算结果也列于表4中。吉布斯自由能变(ΔG°)值在不同温度下为负值，表明此吸附行为的可行性和自发性，而且随着温度的升高ΔG°的绝对值在减小，表明吸附趋势减小，这与温度升高吸附量减小的结果相符合；焓变(ΔH°)值为-0.024942 kJ·mol−1是负值，说明活性白土对甲基橙的吸附过程为放热过程，即温度升高不利于吸附的进行，这与吸附等温线的研究结果一致，而且这一数值比化学吸附的焓变值(40-120KJmol−1)小，再一次说明活性白土对甲基橙的吸附为物理吸附，这一结果也说明甲基橙分子与活性白土之间的作用力主要是静电作用；熵变ΔS°的值为正值，说明溶质从液相进入吸附剂的过程是混乱度增加的过程。

图17 lnKc对1000/T关系曲线

表4 膨润土对甲基橙的吸附行为的热力学参数

温度T（K）

293 303 313

ΔG°(kJ·mol−1)

-7.447-6.309-6.668

-0.024942

0.020785

ΔH°(kJ·mol−1)

ΔS°(J·mol−1K-1)