活性炭對(duì)吡啶的吸附研究，吡啶是一種無(wú)色易燃液體，具有難聞的氣味，廣泛用于制造精細(xì)化學(xué)品(如藥物，維生素，染料)，農(nóng)用化學(xué)品等。因此，在工業(yè)廢水中常見，導(dǎo)致環(huán)境污染問題。這促使人們開發(fā)了一些方法去除水溶液中的污染物，如生物降解，臭氧化，吸附等。

　　在吸附系統(tǒng)中，活性炭是用于從水溶液中去除有機(jī)化合物的最有效的吸附劑之一。活性炭對(duì)控制幾種芳香族污染物(揮發(fā)性有機(jī)化合物，酚類，農(nóng)藥和除草劑)的最佳可行技術(shù)之一。此外，據(jù)報(bào)道，活性炭可以有效地從水溶液中除去吡啶。

　　活性炭等多孔材料的整體吸附速率包括三個(gè)連續(xù)的步驟：外部質(zhì)量傳遞，顆粒內(nèi)擴(kuò)散和固體基質(zhì)活性位點(diǎn)的吸附。顆粒內(nèi)擴(kuò)散可能是由于孔體積擴(kuò)散，表面擴(kuò)散或兩種機(jī)制的組合�？左w積擴(kuò)散是指由于流體相中的濃度梯度(即分子機(jī)理)引起的被吸附物的移動(dòng)，但是受多孔基質(zhì)的幾何形狀的影響。對(duì)于稀溶液，孔體積擴(kuò)散僅取決于分子擴(kuò)散系數(shù)和微尺度相的空間分布。后一種概念定義了多孔介質(zhì)的幾何特性，如孔隙度和曲折度。表面擴(kuò)散是指被吸附物通過固體表面的運(yùn)動(dòng)，也受到相分布的影響; 主要驅(qū)動(dòng)力是表面濃度梯度。

　　在像活性炭這樣呈現(xiàn)層次結(jié)構(gòu)的許多系統(tǒng)中，主要挑戰(zhàn)之一是對(duì)便捷的觀察范圍的理論描述。因此，對(duì)于設(shè)計(jì)和建模而言，宏觀平均量是足夠的，但是為了考慮尺寸較小的物理尺寸，需要一個(gè)放大的方法。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的程序是在許多類型的運(yùn)輸問題中使用的體積平均法。在考慮均相兩相多孔介質(zhì)中的線性等溫線的情況下對(duì)溶質(zhì)的擴(kuò)散和吸附輸運(yùn)進(jìn)行了理論上的升級(jí)，并報(bào)道了用于預(yù)測(cè)有效性質(zhì)的相關(guān)閉合問題。隨后，將散裝和表面反應(yīng)的效果納入了包裝棉線染色的研究中，并報(bào)道了預(yù)測(cè)有效性能的關(guān)聯(lián)問題。盡管如此，反應(yīng)條件對(duì)有效性質(zhì)(如有效擴(kuò)散率)的影響尚不清楚，并且已經(jīng)在文獻(xiàn)中進(jìn)行了一些努力以深入了解這個(gè)問題。

　　在這篇內(nèi)容中，從放大過程的角度研究了吡啶在活性炭上的吸附問題，并確定了相應(yīng)的有效輸運(yùn)性質(zhì)。通過體積平均方法研究微觀尺度上的現(xiàn)象。因此，宏觀上的控制方程被獲得，以有效性質(zhì)表示。這些方程被用來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)孔隙和表面有效擴(kuò)散率。為此，假設(shè)微觀結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單的幾何形狀(圓柱體和球體的有序介質(zhì))或者從SEM(掃描電子顯微鏡)顯微照片處理的圖像獲得。此外，作為粗略估計(jì)，報(bào)道了點(diǎn)表面擴(kuò)散率。

　　吸附平衡數(shù)據(jù)

　　使用500mL的錐形瓶作為分批吸附劑以獲得實(shí)驗(yàn)吸附平衡數(shù)據(jù)。將已知負(fù)荷活性炭的尼龍網(wǎng)袋放入燒瓶中，然后加入吡啶溶液。吸附過程是恒溫并持續(xù)攪拌。吡啶在活性炭上的實(shí)驗(yàn)吸附平衡數(shù)據(jù)如下獲得。將具有1g 活性炭和480mL吡啶溶液的尼龍網(wǎng)袋(在pH = 10時(shí)具有已知的初始濃度)加入到批量吸附器中。在不同pH值和溫度下活性炭上吡啶的吸附平衡。在pH10時(shí)，活性炭對(duì)水溶液中吡啶的吸附能力最高。因此，選擇該pH值來(lái)研究活性炭上的吡啶吸附速率。

　　初始吡啶濃度從20到1000mg / L不等。吡啶溶液保持與活性炭顆粒接觸直至達(dá)到平衡。定期測(cè)量溶液的pH值，并通過適當(dāng)添加0.01和0.1M的HCl和NaOH溶液保持恒定。達(dá)到平衡后，通過分光光度法測(cè)定溶液中的吡啶濃度，通過使吡啶質(zhì)量平衡計(jì)算平衡吸附的吡啶質(zhì)量。在之前沒有活性炭的運(yùn)行中，證明吡啶不吸附在尼龍袋上。

　　水溶液中吡啶濃度的測(cè)定

　　通過UV-可見光譜測(cè)定水溶液中的吡啶濃度。使用UV-160分光光度計(jì)在249.5nm的波長(zhǎng)下測(cè)量吡啶溶液的吸光度。因此，用濃度范圍為10-50mg / L的五種標(biāo)準(zhǔn)吡啶溶液制備的校準(zhǔn)曲線(吸光度對(duì)濃度)估算樣品的吡啶濃度。

　　獲取吸附數(shù)據(jù)的方法

　　使用旋轉(zhuǎn)的籃式批次吸附器來(lái)獲得吡啶在活性炭上的吸附濃度分布。吸附器由1L三頸反應(yīng)燒瓶和葉片替換為不銹鋼筐的葉輪組成。將吡啶溶液倒入吸附器中，并將活性炭顆粒置于連接到與變速電動(dòng)機(jī)連接的軸上的不銹鋼網(wǎng)籃中。將吸附器部分浸入恒溫水浴中。

　　通過適當(dāng)?shù)鼗旌?.01N HCl和NaOH溶液來(lái)制備pH = 10的溶液(800-980mL)并加入到吸附器中。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，將含有活性炭(1-5g)的籃子置于幾個(gè)轉(zhuǎn)速條件(100,150,200rpm)下。通過適當(dāng)?shù)靥砑?.01和0.1N NaOH溶液來(lái)控制溶液的pH。溶液和活性炭保持接觸直到溫度和pH保持恒定。隨后，關(guān)掉攪拌器，迅速將已知濃度為pH = 10的吡啶溶液的等分試樣倒入吸附劑溶液中，以獲得所需的初始濃度。加完后，溶液的總體積為1L。馬上啟動(dòng)葉輪馬達(dá)和計(jì)時(shí)器。用pH計(jì)監(jiān)測(cè)溶液的pH值，并如上所述進(jìn)行調(diào)整。加入的NaOH溶液總體積小于2mL，占總體積的0.1%。定期取樣溶液(5mL)并分析以確定吡啶濃度。取樣時(shí)間分別為0,1,3,5,10,15,20,25,30,40,50,60,90,120,150和180分鐘。取樣后立即加入5mL補(bǔ)充溶液使吸附劑溶液(1L)的總體積保持恒定。補(bǔ)充溶液的濃度是平衡時(shí)初始濃度和最終濃度的平均值。該添加的目的是取代樣品中取出的吡啶的質(zhì)量。

　　圖像處理和數(shù)值解決方案

　　通過掃描電子顯微鏡使用2400倍放大倍數(shù)檢查活性炭的形態(tài)。使用圖像處理工具箱處理圖像。程序如下。首先，通過將灰度轉(zhuǎn)換為灰度(從0(黑色)到255(白色)]來(lái)改善黑暗和光照區(qū)域之間的對(duì)比度。由于深色區(qū)域在視覺上指示深刻，所以假設(shè)這些代表孔隙占據(jù)的部分，而淺色區(qū)域與固體基質(zhì)(活性炭)有關(guān)。這個(gè)想法一點(diǎn)，每個(gè)象素的灰度值被跟蹤(來(lái)自黑色)，并累積，得到體積分?jǐn)?shù) ε γ 的較暗的像素。其次，具有等于或小于閾值的值的所有像素被轉(zhuǎn)換成白色(被孔占據(jù)的空間)，而具有較高值的​​像素被轉(zhuǎn)換成黑色(實(shí)心矩陣)。最后，為了增強(qiáng)輪廓的定義，應(yīng)用濾波器。這個(gè)程序允許我們獲得最終的二值圖像，其中白色和總像素?cái)?shù)之間的比率等于活性炭的孔隙率。事實(shí)上，來(lái)自SEM顯微照片的處理圖像提供了解決閉合問題的領(lǐng)域。

　　從整個(gè)研究看來(lái)活性炭吸附吡啶的濃度衰減曲線。發(fā)現(xiàn)總有效擴(kuò)散系數(shù)是平衡時(shí)吡啶濃度的增函數(shù)，主要是由于有效表面擴(kuò)散與孔體積擴(kuò)散相比貢獻(xiàn)較大。另外，通過使用簡(jiǎn)單的微結(jié)構(gòu)幾何模型，可以粗略地估計(jì)點(diǎn)表面擴(kuò)散系數(shù)。

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