《固体在溶液中的吸附》实验的研究与改进*

孙家翰，王 莹，杨震烁，邓银河

(大连交通大学环境与化学工程学院，辽宁 大连 116028)

活性炭是一种多孔性的、高度分散的吸附剂，它在溶液中有较强的吸附能力，在工业上具有广泛的应用[1-2]。大学化学实验《固体在溶液中的吸附》实验[3-4]研究了活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附作用，并推算出活性炭的比表面积。

在实验过程中，测定了活性炭对不同浓度醋酸的吸附量，但是并没有研究反应条件，如时间和温度对活性炭在醋酸溶液中吸附作用的影响，本文将从不同吸附条件出发，研究活性炭在不同吸附温度、时间以及溶液浓度下对醋酸溶液的吸附作用，同时引入离子交换树脂和人造沸石，与活性炭进行对比实验研究，其结果可供高校相关实验人员参考与借鉴。

1 实 验

1.1 药品与仪器

活性炭(粒状，AR)，001×7阳离子交换树脂，南大化工厂；人造沸石(LR)，醋酸(AR)，氢氧化钠(AR)。

I.L-204电子天平，梅特勒-托利多上海有限公司；DF-101S恒温水浴振荡器，力辰科技；滴定装置。

1.2 实验过程

(1)按照表1在磨口锥形瓶中配制不同浓度的醋酸溶液，其中原始醋酸浓度为0.4 mol/L，而后每瓶中加入吸附剂1 g(准确至1 mg)。

表1 不同浓度的醋酸溶液的配制

(2)将上述锥形瓶用磨口塞塞好，置于恒温水浴振荡器上，调节温度和时间，进行振荡。

(3)振荡完毕，用带有塞上玻璃毛的橡皮管的移液管吸取一定量的上层清液，用0.1 mol/L的氢氧化钠滴定，按照公式(1)计算活性炭在不同醋酸浓度下的吸附量Γ。由于每瓶内醋酸浓度不同，所取体积也不同，1和2号瓶各取10 mL，3和4号瓶各取20 mL，5～7号瓶各取40 mL。另外，需准确标定醋酸的原始浓度。

(1)

式中：v为溶液的总体积(L);m为加入溶液中的吸附剂质量(g);c0为醋酸的起始浓度(mol/L);c为平衡浓度(mol/L)。

2 结果与讨论

2.1 吸附剂的比较

选择离子交换树脂、人造沸石与活性炭三种吸附剂，考察不同吸附剂对醋酸溶液的吸附性能，吸附条件为30 ℃和0.5 h。应用公式(1-2)，分别完成吸附量Γ对平衡浓度c的等温线和c/Γ-c作图，由后图求得饱和吸附量Γ∞，之后代入公式(3)，得到吸附剂的比表面积S0。

(2)

(3)

实验结果发现沸石对醋酸吸附前后的吸附量差值出现负值，表明其吸附性能很差，这可能是沸石在酸性环境中遭到结构上的破坏，部分成分进入溶液中导致。因此在后面的作图处理过程中，不考虑沸石。关于离子交换树脂和活性炭的相关作图如图1和图2所示。

从图1和图2看出，随着醋酸平衡浓度的增加，树脂和活性炭对醋酸的吸附量呈现逐步增加的趋势。通过作图计算，得到树脂的饱和吸附量Γ∞为0.0011 mol/g，比表面积S0为162.23 m2/g；活性炭的饱和吸附量Γ∞为0.0021 mol/g，比表面积S0为306.37 m2/g。可见相同质量的活性炭较树脂具有较大的比表面积。实验中选用的阳离子交换树脂是颗粒内部存在着很多极性官能团的反应性聚合物[5]，在吸附实验前转型为H型，对醋酸的吸附属于化学反应，同时其内部丰富的孔道也具有吸附醋酸分子的作用，但以前者为主。而活性炭表面具有无数细小孔隙，使其拥有巨大的比表面积，对醋酸分子的吸附以物理吸附为主。显而易见，本实验中活性炭较树脂具有较强的吸附性能。

图1 树脂的吸附曲线

图2 活性炭的吸附曲线

2.2 不同温度对吸附性能的影响

以活性炭为研究对象，探讨在不同温度(30，40，50，60，70 ℃)下，对醋酸溶液的吸附性能，如图3所示，其中0.47 mol/L等表示吸附前溶液的起始浓度，振荡时间控制在0.5 h。从图3可以看出，随着温度的升高，起始浓度越大，曲线上升幅度越大，即活性炭对醋酸分子吸附量就越大。这是由于温度越高，醋酸分子的迁移速度越快，在一定的时间内有更多的醋酸分子能够进入活性炭内部，完成吸附过程。

学生实验是在室温进行，即15～25 ℃之间，因此，不同起始浓度下获得的吸附量比较接近，加上学生实验的误差，极容易造成吸附量的重叠，没有可比性，进而实验结果出现错误，甚至得出相反的结果。因此，实验中可以提升吸附温度，比较不同温度下活性炭对醋酸溶液的吸附效果。

图3 吸附量随温度的变化曲线

图4 吸附量随时间的变化曲线

2.3 不同时间对吸附性能的影响

图4出示了在不同时间(0.25，0.5，1，2，4 h)下，活性炭对醋酸溶液的吸附曲线，其中固定吸附温度为30 ℃。可以清晰地观察到，0.25 h到0.5 h的吸附过程中，吸附量出现了明显的下降，这可能是由于醋酸分子与活性炭刚一接触时，大量的醋酸分子迅速被吸附，从而出现较高的吸附量，但是随着振荡的进行，出现了短暂的解析现象，之后从0.5 h开始，随着吸附时间的延长，吸附量逐渐上升，吸附速度大于解析速度，并且起始浓度越大，曲线上升幅度越大，即活性炭对醋酸分子吸附量就越大。这可能是由于长时间的振荡促使醋酸分子在活性炭上的吸附更加牢固，降低解析概率[6]。

在学生实验中，采用的是0.5 h的吸附时间，上述实验结果证明0.5 h不利于活性炭对醋酸的吸附，因此在学生的实验中，可以延长吸附时间，探讨不同吸附时间对吸附性能的影响。

3 结 论

本文从大学化学实验《固体在溶液中的吸附》出发，考察了离子交换树脂、人造沸石与活性炭三种吸附剂对醋酸溶液的吸附性能，之后以活性炭为研究对象，探讨了吸附温度和时间对醋酸吸附性能的影响。结果表明，活性炭的比表面积S0为306.37 m2/g，大于树脂的比表面积S0162.23 m2/g，活性炭对醋酸具有较强的吸附作用；另外，较高的温度促进醋酸分子迁移速度加快，而时间的延长使得醋酸分子在活性炭上吸附能力大于解析能力，因此随着吸附温度的升高和时间的延长，活性炭对醋酸分子吸附量增大，并且起始浓度越大，吸附量越大。因此，在学生的实验过程中，应该提高吸附温度并适当延长时间，如果课时允许，可以在多温度和多时间下完成活性炭对醋酸的吸附，从而形成一个完整的吸附体系。