白垩粉对砷的吸附实验

摘要

碳酸钙是白垩粉的一种成分，由于其高效和低成本的活性，被认为是处理含有无机金属的地下水的最强吸附剂之一。根据钙含量、表面积和形貌，使用白垩粉可获得较高的砷吸附电位。白垩粉的孔隙度和化学成分也有助于吸附过程。在不同条件下，砷的吸附速率与接触时间、吸附剂用量、浓度和ph等参数成正比。在不同温度下，Freundlich吸附等温线均优于平衡吸附，相关系数最高(0.999)。雷竞技网页版

在不同浓度下，平衡吸附势以准二阶动力学级数得到。负的吉布斯能、焓和熵表明吸附机制是本能的吸热吸附机制，在固液界面处没有随机性。分离因子RL在0< R< 1范围内，表明白垩粉对砷的吸附效果良好。上述发现导致决定使用粉笔粉作为一种低成本的吸附剂从水溶液中去除砷。

关键字

砷吸附，Freundlich等温线，吉布斯能，焓，熵，碳酸钙(粉笔粉)。

介绍

作为研究的基础，考虑了吸附剂的独特性。每种吸附剂的吸附势、表面积、孔隙度、关键功能类别、成本和解吸可能性都是不同的。在砷吸附试验中，白垩粉被认为是最有效的吸附剂。碳酸钙与少量的淤泥和粘土组成了白垩粉。多孔碳酸钙是用途最广的材料，在各种工业中都有应用。根据研究结果，使用粉笔粉去除重金属的文献很少。发现含有粘土矿物的白垩粉的吸附能力提高了[1]。与CaCO_3.研究表明，粉笔粉对吸附能力的贡献[2-4]。由于其结构的内部空间较大，Ca^{2 +}离子被砷金属离子取代，在更大的空间吸附，使除砷效率高[5]。

砷主要以十亿分之十(ppb)的浓度存在于地下水中，以不溶于水的砷阴离子或砷分子的形式存在。在孟加拉国的一些地区，地下水浓度可能超过十亿分之一百。根据以往的研究，海德拉巴的地下水含有10-150 μg/L的砷，可以通过吸附、混凝、离子交换和膜过滤等净水方法去除。As (V)比As (III)更容易剥离，为了方便，可以预氧化为As (V)。本研究采用吸附法，利用粉笔粉去除As (III)。

目标

a.开发地下水除砷控制技术。

b.评估吸附剂的吸附势和强度，调整吸附剂，提高吸附剂的功效。

c.开发一种低成本、环境可持续的方法，使用低成本材料从水中去除砷。

吸附剂的选择方法和材料

当碳酸钙加热到900℃时，粉笔粉的物理性质决定了吸附相，由于分解方面的原因，吸附相为物理吸附。由于白垩粉的多孔形貌和表面结构具有良好的CaCO3结晶结构，并且含有二氧化硅、铁等其他离子和其他小颗粒及其反应性，因此在筛选分析中，白垩粉的砷去除率达到89%。基于这些考虑，选择粉笔粉作为吸附剂从水溶液中去除砷。

结果与讨论

砷与白垩粉接触时间的关系雷竞技网页版

有效去除金属以获得我们赖以生存的饮用水的吸附方法借助于接触时间。雷竞技网页版以1.0 g白垩粉和50 μg/L的砷浓度为条件，分别在接触时间为10、20、30、40和50 min时考察接触时间对砷吸附的影响。雷竞技网页版在初步阶段观察到一个缓慢的接近平衡的过程。此外，估计最大砷去除时间为20分钟(最佳接触时间)，这是由于吸附剂的特性可能影响达到平衡所需的时间。雷竞技网页版

由于砷离子在较低浓度下的稀释作用，砷离子的通用性很好，根据德拜-哈克理论，它们驱动了溶剂介质的整个区域，如图图1。白垩粉对铬的吸附[6得出了类似的结果。砷酸钙沉淀(Ca_3.(麻生太郎₄）₂)是砷与白垩粉长时间接触后形成的。雷竞技网页版由于这种沉淀是不稳定的，砷的去除率随着吸附期的增加而下降(2013)。

剂量在砷吸附中的重要性

最佳投加量对吸附量有直接影响。图2结果表明，在25 ~ 27℃的环境温度下，2gm吸附剂在20分钟的最佳接触时间后，砷的去除率为89%。雷竞技网页版超过2gm的额外剂量为金属离子提供了更大的表面和更多的结合位点，但在较高剂量下，吸附过程速率减慢到活性位点的重叠。由于交换剂颗粒在2 gm后没有聚集而增加，因此选择2 gm作为进一步研究的最佳剂量。在氧化石墨烯吸附苯胺时也观察到相同的结果[7]。

粉笔粉在不同浓度下排出砷的能力

图3描述了不同初始浓度的含钙吸附剂(白垩粉)对砷(III)的去除能力。图3结果表明，该吸附剂在浓度为42.6 μg/L时砷的去除率最高，达到90%。由于共阴离子不与吸附机制相互作用，所以浓度越高，砷的去除程度越高。

吸附剂的粒度、孔隙度、形状和精确表面积都对白垩粉对砷的吸附起作用。不溶性砷酸钙盐的形成是由这一过程引发的，这一过程涉及到砷酸盐阴离子和钙离子[8]。由于砷酸钙的阻碍，吸附速率随砷浓度的升高而降低。

P的作用^H关于除砷

砷的吸附能力受pH参数的影响，而pH参数取决于吸附剂表面的电荷和电离速率[9]。为吸附剂的单位所示图4pH值为2.0 ~ 11.0时，除砷能力增强。在低pH下，砷离子与氢离子竞争⁺而在高pH条件下，带负电荷的吸附剂表面易于金属离子结合[10]因此，最适pH值为9.8 ~ 11.0。此外，Ca_3.(麻生太郎₄）₂可以阻碍吸附过程，减缓其速度。碳酸钙包覆细菌磁小体去除制革厂废水中的Cr (III)和Ni (II) [j]11产生了相同的结果。

砷在不同温度下的吸附

图5结果表明，在接触时间为20 min、剂量为2 gm、ph为11.0的条件下，当初始砷浓度为14、28.6和42.6 μg时，在温度为40℃~ 60℃的条件下，砷的去除率为72% ~ 95%。根据目前的研究结果，在温度为14和42.6 μg/L时，吸附量增加，在温度为28.6 μg/L时，吸附率反之。雷竞技网页版注意到吸附现象与温度无关，这意味着该过程可以在室温下操作[12也就是说，没有额外的能量。

在28.6 μg/L的浓度下，CaCO的吸附电位较低_3.在较高温度下的超饱和，这可能导致由于降水而在表面形成鳞片[13]。这可能通过抑制砷的吸收来降低吸附效率。然而，由于在散装中溶解度过高，可能会发生结垢，这并不总是与温度有关。吸附过程是吸热的这一事实是众所周知的。

吸附实验

吸附等温线及其在吸附剂上的平衡的解释一直是许多研究的主题[14，15]。线性回归检验[16定义了吸附物的分布，分析了吸附等温线模型及其假设。因此，线性等温线模型被广泛使用。

Langmuir吸附等温线

Langmuir吸附等温线模型是计算各种吸附剂吸附能力的工具[17]，并可视化吸附剂表面的单层吸附。孔的表面积和大小由吸附剂的孔隙率决定。该模型通过平衡吸附和解吸的相对量来解释表面覆盖率:吸附与可触及的吸附剂表面的比例成正比，解吸与被覆盖的吸附剂表面的数量成正比[18]。Langmuir线性方程[19在我们的调查中使用，以达到这些原则。

图6Langmuir吸附等温线不能确定吸附尺度，也不能确定孔隙率和比表面积的大小。中描述的图的斜率(-ve值)和截距表1是用坐标轴上的线来测量的。当砷浓度低于Freundlich和Temkin等温线时，相关系数(R₂)范围为0.394 ~ 0.739。因此，Langmuir吸附等温线模型与白垩对砷的吸附强度不匹配。

表1。粉笔粉的物理性质。

Freundlich吸附等温线

表面非均质性、活性位点的散射及其能量均由Freundlich等温线定义[20.]。因此，在非均质表面上的吸附实验是用线性等温线进行的[21，22]产生的最佳平衡结果具有强相关系数[4]。图7显示了由对数qe对对数Ce的曲线推导出的线性形状。表2表现出杰出的R₂值高于Langmuir等温线和Temkin等温线，范围为0.971 ~ 0.999。很明显，在大多数情况下，白垩粉对砷的较好去除符合Freundlich等温线。合成废水中铬的吸附脱除[j]22得出了同样的结果。

Temkin吸附等温线

Temkin等温线假设吸收热的减少呈线性形式，如Freundlich方程[23]。由于山梨酸盐/吸附剂的相互作用，层中所有分子的吸收热将线性降低[4，8]。根据图8，当Temkin等温线模型假设适度遵循时，在白垩粉对砷的吸附分析中，线性关联是微弱可见的。自R₂值(0.987-0.993)表2提供了较好的相关系数，Temkin吸附等温线也可以描述白垩粉对砷的吸附过程。

表2。吸附等温线常数及其数值的统计比较。

动力学分析

吸附动力学分析对于确定吸附相、传质和化学反应中溶质吸附的速率和所需时间至关重要。利用动力学模型，对不同时间间隔的砷吸附进行了动力学评价。

符合一级动力学

拉格伦的准一级动力学模型阐明了已占据和未占据吸附位点的相对速率。R₂表中的值(0.899)表3，给出了吸附砷的速率和吸附所需的时间，用线性形式的拉格伦方程[10]。然而，在这个分析中，低R₂数据显示图9具有弱相关性和非线性结构。结果表明，白垩粉对砷的吸附实验不符合准一级动力学。碳酸钙包被细菌磁小体吸附制革废水中Cr (III)和Ni (II)的试验[j]24显示出类似的印象。

表3。白垩粉吸附砷的动力学参数。

伪二阶动力学模型

伪秒动力学模型的好处是K₂可用于测量平衡吸附势。吸附速率由吸附能力而不是吸附质浓度决定[25]。t/qt与t的关系，如图所示图10，生成了一个线性图。K₂和R₂从该图得到的值是用伪二级动力学模型计算的表3，这提供了实验结果和理论结果之间最强的相关性。结果表明，白垩粉对砷的吸附力与拟二级动力学模型吻合较好。

Elovich模型的实现

Zeldowitsch的Elovich动力学模型预测了质量和表面扩散，以及吸附速率和溶质吸附量之间的关系[22]。如表3斜率和截距上的吸附速率(α)和解吸速率(β)分别用负值和正值测定。

由于吸附速率与吸附的溶质量间接成正比，因此图(图11)的qt对比ln(t)确定在吸附剂非均相表面的吸附为物理吸附。根据分析结果，R₂值(0.909)表3不是线性相关的。

粒子内扩散模型

传质(膜扩散)、表面扩散、孔扩散和溶质在活性位点上的吸附[15]是粒子内扩散的四种机制。在本研究中，对边界层厚度I的截取值进行了减小，使得边界层的作用减小，得到如图所示的非线性函数图12。与其他模型相比表3，相关效率值较低(0.870)，表明传质已进入速率控制阶段。因此，砷的吸附机制不受颗粒内扩散模型(图13和14）.

热力学

利用范霍夫方程和平衡常数图计算了各温度下的吉布斯能、标准焓和熵的变化。

表4显示热力学测试的结果。ln qe/ce与qe的曲线的斜率和截距给出了ΔHo和ΔSo的值(0.258和-88.75)表5。在273 ~ 353 K的温度范围内，测量了ΔGo并记录了阴性结果，推断了吸附反应的可行性和自发性[6焓值为正值表明为吸热反应，而焓值为负值证实吸附砷时固液界面处不存在随机性。

表4。白垩粉吸附砷的热力学参数。

表5所示。平衡参数R_l不同浓度和温度下的值。

平衡的标准

白垩粉对砷的吸附试验_l在不同温度下的R_l< 1(0.1)，说明对砷的吸附是有利的。

结论

白垩粉对金属砷具有优异的吸附能力，主要归因于其物理化学性质。通过对接触时间、吸附剂剂量、pH、初始金属离子浓度等参数的考察，确定了该吸附剂对水溶液中砷的吸附剂的去除率为85%，是一种合格的吸附剂。雷竞技网页版白垩粉对砷的吸附分析得到了Freundlich吸附等温线及其有效相关系数。动力学参数表明，目前的研究与伪秒动力学顺序吻合较好;热力学常数表明，该过程是吸热的、随机的_l价值是有利的。因此，我们可以推断，粉笔粉具有较高的吸附强度和去除砷的潜力，可以在低成本，环保，友好的技术中发挥重要作用。

鸣谢

我要感谢我的导师，安得拉邦大学无机与分析化学系主任B.B.V. Sailaja博士和我的共同导师Sirisha David博士，他们的热情、经验和对细节的细致入微一直是我的灵感，并使我的工作从我第一次接触这篇论文开始就走上正轨，没有他们的帮助是不可能的。我还要感谢印度海得拉巴梅迪帕特南的圣安女子学位学院允许我在学院的研究实验室完成我的实验项目。

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