物理化学实验-活性炭在醋酸溶液中的吸附实验研究

    张光辉 张拴 孟庆华

    

    

    摘 ?????要：对物理化学实验-活性炭吸附醋酸实验进行改进，探索影响实验因素，利用Design-expert8.0软件对实验条件进行优化。利用单因素实验考察温度、活性炭粒度大小、吸附时间、活化时间对吸附量的影响，考察改进前后的对比，确定最佳实验条件。温度升高，吸附能降低，搅拌效果比振荡效果更好，粒度越小，吸附能力越强，但是粒度过小，过滤速度慢，最终确定粒度大小40～60目、搅拌60 min吸附趋于平衡，80 ℃活化时间控制在120 min以上，实验效果最佳。 此实验改进方案仪器设备简单，操作简便，数据准确，值得在全院范围内进行推广。

    关 ?键 ?词：活性炭;醋酸;温度;粒度大小;吸附时间;活化时间

    中图分类号：TQ016.1 ??????文献标识码： A ??????文章编号：1671-0460（2019）03-0484-04

    Abstract： In order to improve the experiment of physical chemistry experiment-the adsorption of acetic acid on activated carbon， the influencing factors were explored， and the experimental conditions were optimized by using the software of Design-exchange 8.0. At first， the effect of temperature， particle size， adsorption time and activation time on the adsorption was investigated by single factor experiments. The results showed that， the temperature increased， the adsorption energy decreased， and the mixing effect was better than that of the oscillation. The smaller the particle size， the stronger the adsorption ability， but the smaller the particle size， the slower the filtration speed， and the suitable size of the particle was 40～60 and suitable stirring time was 60 min. When the activation time at 80 °C was above 120 min， the experimental effect was the best. The improved experiment is simple， simple and accurate， and is worth popularizing.

    Key words： Activated carbon;Acetic acid;Temperature;Particle size;Adsorption time;Activation time

    固液界面吸附是藥学类专业物理化学课程常见的实验项目之一，其分为分子吸附和离子吸附[1-3]。分子吸附就是非电解质及弱电解质中的吸附，而离子吸附是指强电介质溶液中的吸附。通常，把被吸附的物质称为吸附质，把具有吸附作用的物质称为吸附剂。充当吸附剂的物质一般都是多孔性的，具有较大的比表面吉布斯函数[3]。固液界面吸附比较复杂，影响因素也比较多。常见的吸附等温式包括朗格茂吸附等温式、弗劳因特立希等温式（Freundlich），BET吸附等温式[4-7]。中医药院校现行物理化学实验教材关于吸附实验多为活性炭在醋酸溶液中的吸附。实验采用活性炭吸附醋酸溶液中的醋酸，即在一定温度下，根据弗劳因特立希吸附等温式，研究活性炭在中等醋酸溶液中的吸附情况，通过测定一定量吸附剂在一定浓度醋酸溶液中吸附前浓度和吸附平衡浓度，计算单位质量的吸附量x/m，以lgx/m对lgc作图，得到一条直线，利用直线的斜率和截距分别可以求出k和n的值[4]（k和n是与吸附质、吸附剂及温度有关的常数），进而得到吸附等温式（1）。

    根据多年实验教学发现，现行教材内容在实验过程中未考虑温度的波动、活性炭的粒度大小[8-10]对实验结果的影响，同时活性炭在空气中也会吸附气体分子，导致吸附能力降低，活化时间长短也会影响实验结果，并且吸附需要一定的时间[11]，导致实验效果很不理想。在教学改革中，团队在2013-

    2015三年间，对药物制剂班此实验内容进行了改进，将以前的常温振荡改为恒温水浴磁力搅拌，并且考察了活性炭粒度大小、吸附时间、活化时间，并且通过对比比较了搅拌和振荡效率，利用平衡吸附量来衡量实验效果，并采用Excel软件进行数据处理，通过响应面法对实验条件进行了优化，最终达到了较好的效果，2016年已在我院药物制剂、制药工程、中药学、中药资源与开发等专业全面推广，达到了良好的效果，并且因此获得学校教学成果二等奖。

    1 ?实验材料

    恒温磁力搅拌器HJ-3A（成都鑫众通科技有限公司）;KS-振荡器（常州市国旺仪器制造有限公司）;活性炭（不同批次）;SHZ-D（III）循环水式真空泵（上海凌科实业发展有限公司）;电子天平PractumXXX-1CN（天津市祥曦科技有限公司）;酚酞（AR）;醋酸（AR）;NaOH （AR）。

    2 ?方法与结果

    我院物理化学实验活性炭对在醋酸溶液中的吸附，沿用中国中医药出版社物理化学实验教材（第4版）实验方案，采用的方法为称取活性炭2.000 g，倒入250 mL的磨口瓶中，然后加入一定量的醋酸溶液，在室温下振荡器振荡90 min，然后过滤，移取一定量的滤液用标准NaOH溶液标定确定平衡浓度。利用公式（1）作图，求k和n值，确定吸附公式。以我校2016级药物制剂专业学生实验为研究对象，对全班实验数据进行整理分析。为了保证实验数据的可靠性，学生实验完毕数据进行签字确认。

    2.1 ?方法

    2.1.1 ?温度对结果的影响

    现行实验指导书未考虑环境温度的微小波动对吸附的影响。故本实验通过恒温磁力搅拌水浴控制温度，设计了20.0、20.5、21.0、21.5、22.0 ℃来探索温度的测定结果与室温测定结果进行对比，探讨温度的微小改变对实验结果的影响程度。

    2.1.2 ?活性炭粒度对吸附的影响

    实验过程中，不同批次的活性炭颗粒大小不同，实验结果相差较大，因此本实验过程中考察了活性炭粒度大小对吸附的影响，将活性炭通过20、40、60、80目筛，区分为20目以下粒度、20～40目、40～60目、60～80目、80目以上5组，研究不同粒度大小对醋酸的吸附能力影响。

    2.1.3 ?吸附时间对吸附的影响

    实验指导书要求振荡时间90 min，由于实验时间长，学生实验过程普遍感觉烦躁。为节约宝贵试验时间，考虑时间对吸附的影响，设计了不同振荡时间30、60、90、120、150 min的吸附量、以及改用磁力搅拌进行对比，考察搅拌与振荡对吸附效果的影响。

    2.1.4 ?活性炭活化时间对吸附的影响

    活性炭由于在保存运输过程中，或多或少的会吸附空气中的水分子及气体分子，导致活性炭的吸附能力降低，对实验结果有一定的影响。在实验过程中对活性炭进行加热活化，使吸附的气体分子发生解析附，可以保证实验结果更准确。因此，实验设计了在80 ℃活化时间为1.0、1.5、2.0、2.5 、3.0 ?h，考察活化时间对吸附的影响。

    2.1.5 ?吸附条件的优化

    在25 ℃时，考察粒度大小、吸附时间、活化时间三因素对吸附的影响，利用Design-expert8.0软件设计优化最佳吸附条件（表1-2）。

    2.2 ?实验结果

    2.2.1 ?温度对吸附量的影响分析

    由表3可以看出，由于吸附量与温度有关，在室温下温度的微小波动，吸附量会发生明显的变化，在室温下测定，实验误差较大，RSD为17.97% （n=5）。而通过恒温控制，RSD=4.68%（n=5），实验误差显著减小。

    2.2.2 ?活性炭粒度对实验结果影响分析

    通过表4可以看出，活性炭的粒度大小不同吸附量不同，并且随着粒度减小，吸附能力逐渐增强，主要原因在于单位质量的活性炭，颗粒越小，比表面越大，吸附能力越强。

    2.2.3 ?吸附时间对实验结果影响分析

    通过表5分析可以得出结论，吸附时间越长，吸附量越大，越接近平衡吸附量。同时，采用搅拌和振荡两种方式，搅拌效果更好，可以在较短的时间内达到平衡吸附量，可以有效节约实验时间。

    2.2.4 ?活化时间对实验结果的影响分析

    通过表6可以看出，活化时间不同，活性炭的吸附量能力不同，当活化时间达到2.0 h，吸附量基本恒定，因此活化时间应控制在2.0 h以上。这主要与活性炭会吸附空气中的气体分子和水蒸气有关。加热活化，有利于脱附，可以将吸附的气體分子和水汽分子释放出来，增加了活性炭的吸附能力。

    2.2.5 ?响应面法试验结果

    通过响应面法发现，粒度的大小、吸附时间、活化时间对吸附量影响程度为：粒度的大小>吸附时间和活化时间。并且实验中发现，粒度过小，对于过滤速度会产生影响。故最佳实验方案为粒度大小40～60目、吸附时间60 min、活化时间2.0 h，此时吸附量趋于稳定，达到0.001 58 mol?g-1（图1-3）。

    3 ?结 论

    本试验探讨了物理化学实验中固液界面吸附实验条件：温度的波动、吸附（振荡）时间、活性炭粒度、活化时间等因素对实验结果的影响，发现温度是影响实验的首要因素。通过对实验内容的改进，利用恒温磁力搅拌装置控温，利用响应面法对吸附条件进行优化，确定最佳实验条件。结果表明：

    （1）温度的微小波动对实验的影响，温度升高，吸附量显著减小，通过恒温装置控温，可以减小实验误差。

    （2）通过磁力搅拌代替振荡，效果更好，缩短了到达吸附平衡的时间，节约了宝贵的时间。

    （3）活化时间对吸附会产生影响，活化时间120 min以上，吸附能力最强，主要原因是活化时间长，有利于解析附。

    （4）响应面优化结果表明，粒度大小40～60目、吸附时间60 min、活化时间2.0 h，此时吸附量趋于稳定，达到0.001 58 mol/g。

    （5）此实验内容的改进，仪器设备简单，可以增加实验中心仪器的使用率，节约实验成本，目前在我院得到了大力推广。

    参考文献：

    [1]陈振江，魏泽英.物理化学[M].第1版.北京：科学出版社，2015-08：240-241.

    [2]张拴，赵忠孝.化学实验基本技能与实训[M].陕西科学技术出版社， 2014-09：208-210.

    [3]陈振江，孙波.物理化学实验 [M].第1版. 北京：科学出版社，2015-08：241-242.

    [4]刘幸平，刘雄.物理化学[M].第10版. 北京：中国中医药出版社，2016-0 7：212-215.

    [5]陈振江，程世贤.物理化学实验[M].第9版. 北京：中国中医药出版社，2012-07：62-64.

    [6]杨侃，陆现彩，徐金覃，等.气体吸附等温线法表征页岩孔隙结构的模型适用性初探[J]. 煤炭学报，2013（05）：817-821.

    [7]王玉娜，洪琴，李祖贵.化学师范专业活性炭吸附亚甲基蓝综合实验[J].当代化工，2018（01）：49-52.

    [8]孙飞龙，孟凡超，郭杰，等.活性炭吸附乙烯的平衡数据测定及其Langmuir模型参数与温度的关系[J] .南京工业大学学报（自然科学版） ，2017（02）：121-126.

    [9]雷晓玲，黄芳，陈垚.活性炭对典型染料的吸附性能研究[J].工业水处理，2013（05）：57-60.

    [10] 张子炜.系列氨基树脂吸附H酸的研究[D].南京师范大学，2016-06.

    [11]何余生，李忠奚，红霞，等.气固吸附等温线的研究进展[J].离子交换与吸附，2004（04）：376-384.