phpe技巧_关于硼同位素的间歇吸附实验

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文|鉴史速写本

编辑|鉴史速写本

«——【·序言·】——»

本章通过 Fe304@Resin-l 材料对硼酸的间歇吸附实验，探究溶液 pH 对吸附量和分离因子的影响，得到吸附最佳 pH。

测定吸附动力学和吸附等温线数据，并利用吸附动力学和吸附等温线模型对数据进行拟合，剖析吸附过程机理，为利用Aspen Chromatography 模块对分离过程进行仿照供应根本数据和参数。

«——【·实验研究·】——»

本章实验中 Fe304@Resin- 材料在吸附前都须要进行活化，在真空条件下，活化温度为 60%C，活化韶光为 10 h。

不同 pH 下，硼酸在水溶液中的紧张存在形式不同，对 FeO4@Resin-1 材料吸附分离硼同位素有显著的影响。

为探究 pH 对吸附过程的影响，本章进行了不同 pH 下的吸附实验。
取 15.5g酸固体溶解于 500 mL 去离子水中配置确浓度为 5.405 gL的硼酸溶液。

利用盐酸和氧化将 5.405 gL的酸溶液 pH 调节至 2~ 11不等，取不同 pH 的酸溶液 20 L 和 1g 活化后的 Fe4@Resin-l材料放至 50 mL离心管中，用封口膜封住管口，在 25C下于恒温振荡水浴摇床中吸附 24h。

吸附结束后用滤膜将溶液滤出，利用 pH 计测定吸附后溶液的 pH利用电感合等离子体发射光谱仪 (ICP-OES)测定吸附后溶液中硼的浓度，利用电感合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定吸附后溶液中硼同位素的丰度通过吸附前后溶液中硼的浓度和丰度对吸附量和分离因子 S(BB) 进行打算。

个中 Co(mg:L-) 和 C(g L-)分别为吸附前后溶液中硼的浓度，ao和 a1分别为吸附前后硼同位素丰度 (B/B)。
重复三次实验，实验结果取均匀值。

为研究吸附动力学，本章对吸附量随吸附韶光的变革进行了测定。
取 20 L上述配置的硼酸溶液 (5.405 g L)，利用氧化调节液 pH 至7，与1g 活化后的 Fe304@Resin-1 材料一同放至 50 L 离心管中，用封口膜封住管口，在25 C下于恒温振荡水浴摇床中进行吸附。

在吸附韶光为 0.17、0.250.33、0.51、1.5、2、4、6 h 时取出少量上清液，用滤膜将溶液滤出，利用 ICP-OES 测定溶液中硼的浓度并通过式对吸附量进行打算。
重复三次实验，实验结果取均匀值。

为探究吸附等温线，本章对不同硼酸浓度下的吸附进行了实验。
利用确酸固体配置浓度分别为 0.5405、1.081、2.162、3.23、4.324、5.405、7.567g·L的翻酸溶液，利用氢氧化钠调节溶液 pH 至7。

分别加至7个 50 L离心管中，每个离心管中再加入 1g 活化后的 Fe04@Resin-l材料。
用封口膜封住管口，在 2C下于恒温振荡水浴摇床中吸附。

吸附结束后用滤膜将溶液滤出，利用 CPOES 定吸附后溶液中硼的浓度，利用 CP-MS 定吸附后溶液中硼同位素的丰度并通过式对吸附量进行打算。
重复三次实验，实验结果取均匀值。

硼酸溶液 pH 影响吸附剂表面电荷和硼酸存在形式的分布，进一步影响吸附量和分离因子。
以吸附后溶液的 pH 作为吸附 pH，在不同的吸附 H 下测得Fe304@Resin-1材料对硼的吸附量 Q(mgg)和分离因子S(B/B)。

个中不同 ph 下吸附量 的标准差均在 0.070 以下，分离因子S的标准差均在 0.005 以下，偏差很小，实验具有良好的重现性。

pH 在 4~7时，吸附量随着 pH 的增大而增大; H>7时，吸附量随着 pH的增大而减小;

在 ph - 7 时，吸附量达到最大值，为 2.869 gg。
零电荷点( pHzx)是指当溶液 pH达到某一特定值时，溶液中固体表面上的净电荷即是零根。

FeO4@Resin-1材料上的 F在水溶液中其表面为 Fe(OH)基团，当溶液 pH < pHz (6.75)时，Fe304 表面基团发生质子化形成[Fe(OH2)]基团，当 pH > pHzp (6.75) 时，Fes04表面基团发生去质子化形成 FeO基团。

硼酸在水 溶液中有两种存在形式，三配位硼酸分子B(OH)]和四配位酸根离子[B(OH)4]，这两种存在形式的分布随着溶液 pH 的变革而变革。
在酸性溶液中，硼酸的紧张存在形式为 B(OH)3，随着 pH 的升高，B(OH) 逐渐转化为 B(OH)4。

在 pH< pHpe(6.75)时，Fe304表面带正电，由于相反电荷之间静电引力的浸染，Fe304更方向于吸附带负电的 B(OH)。
但此时溶液中的 B(OH)很少，因此在 pH低的时候，吸附量很小，随着 pH 的升高，B(OH的量不断增加，Fe04对硼的吸附量逐渐增加。

在 pH> pHzp (6.75)时，Fe304表面带负电，而此时溶液中硼酸的紧张存在形式为 B(OH)4，由于相同电荷之间斥力的浸染，Fe04 更方向于吸附 B(OH)3。

随着 pH 的升高，B(OH)的量逐渐降落，Fe04对的吸附量也逐渐降落。
而在 pH-7时,Fe;04表面基本不带电荷能够同时吸附 B(OH)和 B(OH)3以是此时 FesO4@Resin-1材料对翻的吸附量达到最大。

pH 的增大而急剧减小;在 H - 6 时，分离因子达到最大值，为 .315。
硼酸在水溶液中的两种存在形式中，1B 更方向存在于 B(OH)中，B 更方向存在于B(OH)中。

在 H7 时，Fe04 选择性吸附 B(OH)，因此 H 在4~6时 Fe304选择性吸附1B 的分离因子都大于 pH>7 时的分离因子。
pH 在4~5 时，溶液中 B(OH)的量较低，分离因子受到大量 B(OH) 竞争性吸附的影响。

当 pH6 时，溶液中 B(OH)达到了一定的量，同位素选择吸附效应更加明显，分离因子达到了最大值。
在 pH-7时，Fe04同时吸附 B(OH)和 B(OH)3，对B 的选择性略低，因此分离因子略低于 pH-6 时的分离因子。

在 pH>7 时，虽然 B(OH)的量随 pH 的增大而增大， Fe304 选择性吸附 B(OH)的量随 pH 的增大而不断降落，因此分离因子随 pH 的增大而降落。

综上所述，FesO4@Resin-1材料对硼的吸附量在 pH-7 时达到最大，分离因子在 pH-6 时达到最大，考虑到分离因子在 pH-7时与 H-6 时相差很小，因此在后续的实验中选择 pH -7作为操作点。

吸附过程中不发生化学反应，吸附质的分子构造和性子变革很小，结合力较弱，吸附热较小，被吸附的物质随意马虎分开。

化学吸附是通过吸附质和吸附剂之间发生电子的迁移、交流或共有，从而形成新的化学键进行的吸附过程。

吸附质的分子构造和性子都发生了变革，结合力较强，吸附热较大，被吸附的物质更不随意马虎分开。

内扩闲步骤是指吸附质通过吸附剂的微孔，从外表面扩散至表里面;吸附步骤是指吸附质在吸附剂表里面发生物理吸附或化学吸附过程，后被吸附剂吸附。

吸附速率是指单位质量的吸附剂在单位韶光内吸附的吸附质的量，吸附速率越大，吸附过程达到平衡的韶光越短。

吸附速率常日由外扩散速率和内扩散速率掌握，与吸附剂的构造、类型、颗粒大小以及吸附过程中温度、压力、搅拌速率等条件有关，吸附过程的总速率取决于最慢阶段的速率。

本章通过实验测得溶液中硼酸浓度随吸附韶光的变革，从而打算出Fe;04@Resin-1 材料对硼的吸附量随韶光的变革趋势。
吸附量在0~ 0.5 h 迅速增加，在 0.5-1 h 吸附速率减缓，1h 后吸附量基本不变，吸附过程达到平衡。

为研究 Fe;04@Resin-1 材料对硼吸附过程的吸附动力学，本章利用拟二级动力学模型和内扩散模型对吸附数据进行拟合。
拟二级动力学是基于化学吸附的假设，吸附速率取决于吸附剂表面活性吸附位点的数量，其模型公式如下：

以 t为横坐标，t/0,为纵坐标作图，并对其进行线性拟合。
内扩散模型常日用于剖析吸附过程的掌握步，其模型公式如下:

个中 (mg;gh) 为内扩散速率常数，截距 K (mgg) 是和边界层厚度有关的常数。
以/s为横坐标，.为纵坐标作图，并将其分为三个阶段分别进行线性拟合。

由表可见，拟二级动力学模型的线性拟合系数 R>0.999，解释吸附过程能够用拟二级动力学模型描述，吸附过程为化学吸附过程，Fe3O4@Resin-1材料与硼形成了 Fe--B 化学键，产生了吸附浸染，吸附速率取决于 Fe304@Resin-l 材料表面 Fe304上活性位点的数量。

内扩散模型对数据的拟合包括三个阶段:

外表面吸附阶段，在刚开始发生吸附时，Fe304@Resin-1材料表面上具有大量的吸附活性位点，溶液中的硼酸浓度也较高，吸附驱动力较大，因此第一个阶段吸附量快速增加。
内扩散阶段，随着吸附的不断进行，Fe304@Resi-1材料表面的活性位点逐渐减少，硼酸向材料孔道扩散，与表里面的活性位点发生吸附浸染，阻力增大，并且此时溶液中的硼酸浓度降落，吸附驱动力减小，因此第二个阶段吸附量增加的速率小于第一个阶段。
吸附平衡阶段，当 Fe304@Resin- 材料上的活性位点吸附硼和解析硼的速率同等，吸附量不再增加，达到吸附平衡。
内扩散模型对第一阶段的线性拟合系数 R'> 0.97，拟合效果良好。

且直线未通过原点，解释内扩闲步骏不是吸附过程唯一的限速步婴，吸附过程还受到其他步骤的共同掌握。

吸附等温线是指在一定温度下，吸附质在两相界面上的吸附过程达到平衡时吸附质在两相中浓度的关系曲线。
FesO4@Resin-1 材料吸附硼的吸附等温线即吸附达到平衡时，Fe;04@Resin-1 材料对硼的吸附量与溶液中硼浓度的关系。

本章实验中 对不同初始硼酸浓度下吸附前后硼酸浓度及确同位素丰度进行了测定分别得到了 Fes04@Resin-1 材料对硼、硼-11和硼-0 的吸附等温线。
随着平衡时硼、硼-11 和硼-10 浓度的增加，Fe04@Resin1 材料对翻、硼-11和硼-10 的吸附量随之增加。

由表可见，Langmuir 模型的拟合系数 R>0.99，Henry模型的拟合系数 R低于 Langmuir模型，因此 Langmuir 模型能够更好地描述 Fe;04@Resin-1材料对硼、硼-1 和-10 的吸附过程。

解释该吸附过程是发生在均质表面上的单层化学吸附拟合得到对翻的最大吸附量 为 6.612mg”g，远远大于实验值 (3.213 mg g)，这是由于实验利用的最大硼酸初始浓度 7.567gL已经靠近硼酸在水中的溶解。

更高硼酸初始浓度的吸附实验无法进行，也在一定程度上解释 FeO@Resin-1 材料对硼的吸附具有更高的潜力。

«——【·结语·】——»

利用拟二级动力学模型和内扩散模型对吸附数据进行拟合，拟二级动力学模型拟合效果良好，吸附过程为化学吸附过程，内扩散模型拟合直线未通过原点，内扩闲步骤不是吸附过程唯一的限速步骤。

(3) 通过不同初始硼酸浓度下的吸附实验对吸附等温线进行探究，利用Henry 模型和 Langmuir 模型对等温线数据进行拟合，Langmuir 模型能够更好地描述 Fe;04@Resin-1 材料对硼、硼-11和-10 的吸附过程该吸附过程是发生在均质表面上的单层化学吸附。

«——【·参考文献·】——»

[3] 张楠.色谱法分离硼同位素的研究[D].天津:天津大学化工学院,2018.