NKA-Ⅱ树脂吸附苯甲酸的动力学研究

刘 兰 彭 瀚

(广东石油化工学院，化学工程学院，广东 茂名 525000)

苯甲酸是一种重要的有机化工原料，在食品加工、医药、化工等方面具有广泛的应用，故苯甲酸在工业废渣、废液中广泛存在。因苯甲酸废水可能致癌、致畸、致突变等，故苯甲酸的排放给环境带来污染，对环境造成危害。目前对苯甲酸废水的传统处理方法包括氧化法、生化法、萃取法等，但是这些处理技术大多存在设备复杂、运行成本高等不利因素。

吸附法是处理水中有毒有害有机物的最常用的方法之一。已见报道的苯甲酸吸附剂有活性炭、矿土、大孔树脂、水底污泥、磺化煤和硅胶等[1～4]。大孔吸附树脂处理废水，具有性能稳定、处理效率高等优点[5,6]。本文以NKA-Ⅱ树脂作为回收苯甲酸的吸附剂，研究NKA-Ⅱ树脂对水溶液中苯甲酸的吸附性能，探讨树脂对苯甲酸的吸附机理。

1 实验材料和仪器

NKA-Ⅱ 吸附树脂，南京大学环境学院研制。

主要药品：乙醇，苯甲酸和氢氧化钠，皆为分析纯。

主要仪器：DF-Ⅱ集热式磁力搅拌器，AB204-N电子分析天平，JA2003型电子天平和电热恒温干燥箱。

2 实验方法

2.1 树脂预处理

2.2 静态平衡吸附

称取NKA-Ⅱ吸附树脂置于锥形瓶中，加入含苯甲酸废水溶液，置于恒温水浴振荡器中，震荡1h。取平衡溶液，用标准氢氧化钠溶液滴定，根据消耗量计算平衡浓度，再根据公式(1)计算平衡吸附量[7～9]。

Qe=(Co-Ce)V/m

(1)

式中：Qe——平衡吸附量，mol/g；

Co、Ce——吸附质的初始浓度和平衡浓度，mol/L；

V——溶液的体积，L； m——干树脂的质量，g。

2.3 吸附动力学实验

NKA-Ⅱ吸附树脂置于锥形瓶中，加入含苯甲酸废水溶液。在吸附温度分别为298，308和318K的条件下，于预先设定好的恒温水浴震荡箱中，分别在不同时间段取样测定溶液浓度,直至吸附平衡。根据公式(2)计算瞬时吸附量[7,8,9]。

Qt=(Co-Ct)V/m

(2)

式中：Qt——t时刻的吸附量，mol/g；

Ct——t时刻的溶液的浓度，mol/L。

3 实验数据记录与分析

3.1 吸附动力学方程的计算

根据经典的吸附等温方程 Freundlich 方程:lnQe=lnKf+lnCe/n，对实验数据进行拟合分析，式中Kf及n是特征常数。拟合得到Freundlich等温吸附方程的相关参数如下表所示。

表1 Freundlich吸附等温方程拟合结果及参数Table 1 Freundlich adsorption isothermal equationto match the results and parameters

由表1可知，在测定的温度范围内，NKA-Ⅱ树脂吸附苯甲酸的特征常数n>1，说明NKA-Ⅱ树脂对苯甲酸的吸附为“优惠吸附”。拟合得到的等温方程均能较好地描述树脂的吸附，所以计算结果是可信的，也说明了NKA-Ⅱ树脂对苯甲酸的吸附等温线符合Freundlich方程。

3.2 吸附动力学研究

评价吸附材料性能优劣的根据之一就是吸附速率的快慢。为了分析在不同温度下NKA-Ⅱ大孔吸附树脂对于苯甲酸的吸附速率情况，用一级动力方程来模拟吸附过程。NKA-Ⅱ大孔树脂在不同温度下，吸附量随时间的变化见下表。

表2 苯甲酸在NKA-Ⅱ大孔树脂上的吸附量数据表Table 2 Adsorption of benzoic acid on NKA-Ⅱ macroporous resin

图1 苯甲酸在NKA-Ⅱ大孔树脂上的吸附一级动力学曲线Fig.1 The first order kinetic adsorption curve ofbenzoic acid on NKA-Ⅱ macroporous resin

图中吸附量随时间类似为指数形式，表明为一级吸附动力学特征，NKA-Ⅱ树脂在开始前20 min吸附速率较大，之后吸附趋于平衡。说明树脂吸附苯甲酸较快。在初始阶段(吸附速率较大)，吸附动力学数据符合如下准一级吸附方程。

ln[Qe/(Qe-Qt)]=Kt

式中：Qe—————平衡吸附量，mol/g；

Qt—————t时刻的吸附量，mol/g；

K——————速率常数，min-1。

速率常数K的数值可以用ln[Qe/(Qe-Qt)]与时间t拟合直线的斜率计算出来。

根据Arrhenius方程lnK=-Ea/RT+lnA，计算得出表观活化能。式中，Ea为表观活化能，A为指前因子。通过测定不同温度下的速率常数K值，再以lnK与1/T作图，由直线的斜率和截距便可求得出Ea和A。有关方程及其参数见表3所示。

由表3可得出，NKA-Ⅱ大孔树脂吸附苯甲酸的速率常数随着温度的升高而先降低再增加。吸附活化能Ea<3.0 kJ/mol，说明了吸附较容易进行。

表3 NKA-Ⅱ树脂吸附苯甲酸的吸附一级方程拟合结果Table 3 The matching results of the first order adsorptionequation of benzoic acid on NKA-Ⅱ resin

3 结 论

(1)NKA-Ⅱ树脂吸附苯甲酸的特征常数n>1，说明NKA-Ⅱ树脂对苯甲酸的吸附为“优惠吸附”。NKA-Ⅱ树脂在开始前20 min吸附速率较大，之后吸附趋于平衡。说明树脂吸附苯甲酸较快。

(2)NKA-Ⅱ树脂对苯甲酸的吸附等温线符合Freundlich方程。吸附量随时间变化类似为指数形式，表明为一级吸附动力学特征，在初始阶段(吸附速率较大)，吸附动力学数据符合准一级吸附方程。

(3)吸附活化能Ea为130.7 J·mol-1，小于3.0 kJ/mol，说明了NKA-Ⅱ树脂吸附废水中的苯甲酸较容易进行。

[1] 黄辉,刘义武,邱胜红 等. 果胶锆凝胶球对苯甲酸的吸附性能研究[J]. 离子交换与吸附,2015,(01):64～73.

[2] 刘宝鉴,杨帆,邹远兴. 金属有机骨架材料对水中有机酸的吸附性能[J]. 化工环保,2016,(03):268～271.

[3] 刘玲,何小丽. 焙烧型镁铝双金属氢氧化物对水中苯甲酸的吸附行为[J]. 日用化学工业,2015,(03):127～131+160.

[4] 邢蓉,张彤,费正皓 等.FDU-15介孔材料对水溶液中苯甲酸的吸附研究[J]. 离子交换与吸附,2013,(06):505～515.

[5] 陶为华,王敏.聚乙烯吡啶树脂对苯甲酸的吸附性能研究[J]. 分子科学学报,2014,(06):497～503.

[6] 张守军,王荣申,卢燕 等.大孔树脂静态吸附香椿子多酚的热力学与动力学特征[J]. 中成药,2016,(11):2 370～2 374.

[7] 杨利敏,汪沣,杨自玲 等.苦荞黄酮在大孔树脂DM-2上的吸附特性的研究[J]. 食品研究与开发,2016,(05):32～35.

[8] 孙越,罗军芬,崔巍 等.大孔树脂对2-萘胺-3,6,8-三磺酸的吸附性能[J]. 东南大学学报(自然科学版),2016,(04):818～822.

[9] 刘清清,阎怡竹,杨海霞 等.大孔吸附树脂对蜂蜜中拟除虫菊酯脱除的热力学性质研究[J]. 食品与发酵工业,2016,(12):57～61.