活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭对钪和钕的吸附性能，本次研究的目的是研究活性炭对钪(Sc)和钕(Nd)这两种稀土元素(REEs)对的吸附，活性炭使用木屑为前体材料制成，并且采用X射线衍射(XRD)，扫描电子显微镜(SEM)，变换红外光谱(FTIR)和热重(TG)分析等技术对活性炭炭进行表征，零电荷点(pH PZC)也被确定。实验条件为：吸收浓度1-10 g·L -1，溶液稀土元素浓度20 mg·L -1，接触时间平衡24小时，温度25℃，搅拌速度350转/分钟。还做了活性炭的效率与普通炭的效率相比较。

　　稀土元素(REE)是17种化学元素的组合，与金，银和铂相比，在地壳中更丰富。但是，由于它们不是以集中形式存在，所以它们的提取是具有挑战性的。虽然稀土元素的使用量很小，但是它们对生产多种器件(包括移动电话，计算机硬盘驱动器，荧光灯泡，催化剂，磁铁，冰箱和其他日常用品)中所使用的元件至关重要。它们也被用于飞机，混合动力汽车，电动汽车和风力涡轮机等。在几个高科技行业，清洁能源和更高效的运输和通讯系统生产更复杂的设备的需求表明，这些元素的需求可能在未来几年迅速增加。所以现在它们的经济价值很高。

　　活性炭是固体，多孔的和富含碳的材料，大多原材料为生物质热解产生的，并且通过高温蒸汽或者化学活化而成的。活性炭的性能主要取决于原料的组成，热处理的类型和使用的温度。可作为土壤改良剂，用于改善骨料的稳定性，阳离子交换能力，保水性和通气性。此外，它被认为是一种可再生能源，并且由于碳的高度稳定性，它有助于土壤中的固碳和缓解全球变暖。因此，通过它的多种用途，活性炭可以促进农业废弃物物价稳定措施，保存资源，经济的改善尤其是在退化地区和整体可持续农业发展。所以这次研究活性炭吸附钪和钕，我们采用了几种分析技术通过化学模型确定溶液中Sc和Nd物种的形态，提供动力学和平衡数据，并讨论潜在的吸附机理。

　　实验材料的制备

　　在本研究中用作的活性炭粒度为1.5-4.0mm。所作为对比物的生物炭在350和550℃下经受缓慢热解锯末生产的(分别为Sd350和Sd550)。过程为使用少量原料进行热解，例如放置50g在改进的实验室炉中的瓷囊。保留时间为60分钟，加热速率保持在10℃·分钟-1。N 2气体以100 mL·min -1的速率加入炉中60 min去除空气。

　　进行地球化学建模，以确定水溶液中Nd和Sc物种的形态。为了从其他来源获得的附加溶解度数据扩展以增加可靠性。含水地球化学模拟使得能够计算主要的Nd和Sc物质，并通过在吸附实验中的特定条件(pH，浓度和组成)下使用饱和指数(SI)来确定溶解度控制相，这项研究。相饱和指数计算为SI = log(IAP / Ksp)，其中IAP是在不同pH值下相关反应的离子活性产物，Ksp是溶解度产物常数。饱和指数大于零表示过饱和，低于零表示饱和度不足，接近零的值表示与矿物相平衡。

　　图1、锯末(×200)(a)，生物炭(b)和活性炭(c)的SEM-BSI图像。

　　图中显示了活性炭和对比材料的SEM背散射电子图像(BSI)。可以看出，活性炭其表面上具有排列良好的孔隙。然而，由于高分子量挥发物的释放，锯末的纤维结构在热解后被改变，这影响了孔的数量和直径，观察到尺寸为9-16μm的较小的孔和尺寸为21-48μm的较大的孔。这也表明，形成了几个良好的方向微孔与尖锐和弯曲的边缘形成。孔隙率增加，由于脂族C结构与芳族C结构变换。

　　图2、2000×时的SEM显微照片和分别在Nd(a，b)和Sc(c，d)吸附后的活性炭的相应EDS光谱。

　　活性炭吸附后表面形貌也发生改变。图2a、c表示存在几个不同形状和大小的亮点，广泛分布在其孔隙中。值得注意的是，在所有的实验中，两种研究吸收剂的EDS光谱都显示出比Sc更高的Nd负载量。这一结果与动力学研究中所见的Nd吸附趋势一致。

　　表1：提供了不同吸附剂浓度下活性炭和生物炭对Sc和Nd吸附量的百分比和速率(mg·g -1)，范围从1-10 g·L -1。如前所述，溶液中稀土元素的初始浓度为20 mg·L -1。溶液的pH保持恒定在3，24小时后达到平衡。

　　结果表明，在所有吸附剂浓度(1,2,5和10 g·L -1)下，活性炭对Nd和Sc的吸附效率最高，在最高浓度时达到近88%和77% g·L -1)。因为活性炭比其他材料具有大得多的比表面积(912.10米2 · 克-1)相比生物炭Sd350(4.71米2 · 克-1)，计算的吸附百分比与每种吸附剂的表面积不成正比。对于这两种吸附剂，显示出的Nd相比钪吸附最高倾向，这可能是离子半径较大的结果。最后，两种吸附剂对Nd和Sc的吸附速率非常相似，随着吸附剂浓度的增加，吸附量减小。

　　本研究结果表明，活性炭比其他材料更好的吸附水溶液中的稀土元素，如钕和钪。动力学数据表明，吸附符合伪二级动力学反应，而平衡数据表明其符合Freundlich等温线模型。主要的吸附机理包括化学吸附和离子交换。选择最有效的活性炭和最佳的实验条件，使其达到最大的吸附效率应该基于地球化学模拟和形态分析的结果，以及pH值PZC的测定。

　　从农业和其他废弃物开发廉价高效的吸附剂是一个有趣的研究问题，因为它们的生产促成了废物的增值，并符合循环经济的原则。根据本研究的结果，提出进一步研究需要：(1)评估不同农业废弃物生产的活性炭的吸附效率，(2)通过不同类型的热解来优化活性炭生产，以平衡产率和工艺经济性，同时改善其性质(例如，结构，孔隙率，表面积，特定官能团和可用活性吸附位点的存在)，(3)确定可能影响pH PZC的表面改性的效果 并能够在更宽的pH范围内吸附稀土元素。

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