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粉狀活性炭:活性炭電導(dǎo)率測(cè)定中萃取方法的討

點(diǎn)擊次數(shù):421更新時(shí)間:2018-05-17
 活性炭是各種含碳原料經(jīng)過(guò)炭化、活化等專門(mén)處理而制成的化工產(chǎn)品,它具有巨大的比表面積和優(yōu)良的吸附性能,在現(xiàn)代工業(yè)各領(lǐng)域有著廣泛的用途。特別是木質(zhì)活性炭,以它的高吸附性能、低雜質(zhì)含量的特點(diǎn),更廣泛用于飲用水處理、有機(jī)溶劑的回收、制糖、制藥、催化劑載體、貴重金屬提取、氣體凈化提純、精制等方面。國(guó)內(nèi)以前有關(guān)活性炭雜質(zhì)的檢測(cè)方法中,僅對(duì)活性炭中的某些微量元素含量如鐵、鋅、氯等做測(cè)定,而對(duì)活性炭中可溶物離子總量卻沒(méi)有具體的衡量標(biāo)準(zhǔn)。在當(dāng)今社會(huì),某些化學(xué)試劑、食品、醫(yī)藥制品、純凈水等產(chǎn)品的制造過(guò)程中對(duì)活性炭可能引入的雜質(zhì)要求越來(lái)越嚴(yán)格,這些雜質(zhì)是由活性炭中可溶的微量離子構(gòu)成,而衡量這些微量離子*方便和有效的方法就是測(cè)定活性炭水溶物的電導(dǎo)率。
   日本水道協(xié)會(huì)(JWWAK113-1985)規(guī)定的活性炭電導(dǎo)率測(cè)定方法為電磁攪拌萃取法。
1. 基本原理和試驗(yàn)方法
1.1 電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電機(jī)理
   導(dǎo)體按其導(dǎo)電方式和導(dǎo)電時(shí)伴隨發(fā)生的現(xiàn)象分為兩類(lèi):一類(lèi)是金屬導(dǎo)體,另一類(lèi)是電解質(zhì)導(dǎo)體。
   金屬導(dǎo)體包括固態(tài)和熔化狀態(tài)的金屬,它們的導(dǎo)電機(jī)理主要是依靠金屬中的自由電子的運(yùn)動(dòng),所以稱電子導(dǎo)體。當(dāng)電流通過(guò)這類(lèi)導(dǎo)體時(shí),除了它本身可能發(fā)熱以外,不發(fā)生任何化學(xué)變化。在一般情況下,金屬導(dǎo)電能力隨著溫度升高而減少。屬于這類(lèi)導(dǎo)體的主要是金屬,也有一些非金屬如石墨等。
   電解質(zhì)溶液導(dǎo)體包括各種電解質(zhì)溶液和熔化狀態(tài)的電解質(zhì),它們的導(dǎo)電機(jī)理是依靠電解質(zhì)溶液中陰、陽(yáng)離子的定向遷移運(yùn)動(dòng),所以稱離子導(dǎo)體。這類(lèi)導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著溫度升高而增大。通電時(shí)在兩個(gè)電極上發(fā)生化學(xué)變化。
1.2 電解定律
   在電解質(zhì)溶液中通電后,陰、陽(yáng)離子發(fā)生定向遷移,并在電極表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。電解產(chǎn)物是多種多樣的,有固體(沉積在電極上)、有氣體產(chǎn)物(如H2、O2等),也有仍舊保持在溶液中為離子產(chǎn)物者(如Fe3+→Fe2+等)。電解產(chǎn)物的量與通入的電量有如下基本關(guān)系:(1)在電解過(guò)程中電極上起化學(xué)變化的物質(zhì)的量與通過(guò)溶液的電量成正比;(2)用相同的電量通過(guò)各種不同的電解質(zhì)溶液時(shí),在各電極上所析出或溶解的物質(zhì)具有相同的當(dāng)量值。這兩條規(guī)律稱為法拉第定律(Faraday定律)。
1.3 電導(dǎo)、電導(dǎo)率
   在衡量電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力與所含電解質(zhì)數(shù)量的關(guān)系時(shí),常用電導(dǎo)(L)表示。電導(dǎo)就是導(dǎo)體電阻(R)的倒數(shù)。
L=1/R                            (1.1)
   電阻R的單位為歐姆(Ω),電導(dǎo)L的單位為西門(mén)(S),或歐姆−1(Ω−1)。
   實(shí)驗(yàn)證明,導(dǎo)體電阻大小與導(dǎo)體的長(zhǎng)度λ成正比,與導(dǎo)體的截面積A成反比。
R=ρλ/A                            (1.2)
式中ρ為比例系數(shù),即導(dǎo)體在λ=1cm,A=1cm2時(shí)的電阻,稱此為比電阻。而比電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo)率。以符號(hào)K表示。
K=1/ρ                       (1.3)
   根據(jù)(1.2)和(1.3)式,可以得出電導(dǎo)與電導(dǎo)率關(guān)系式:
L=KA/λ                            (1.4)
式中K的物理意義是:導(dǎo)體的長(zhǎng)度為1cm,導(dǎo)體的截面積為1cm2時(shí)的電導(dǎo),稱為比電導(dǎo)或電導(dǎo)率。單位是西門(mén)⋅米−1(S⋅m−1)或歐姆−1⋅厘米−1(Ω−1⋅cm−1),1S⋅m−1=100Ω−1⋅cm−1。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率是指1cm3的立方體溶液的電導(dǎo)。
   電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率隨溶液的溫度升高而增高。因此,只有在相同溫度下測(cè)得的電導(dǎo)率才具有比較性。
2. 試驗(yàn)主要器材和方法
2.1 主要器材
   采用國(guó)產(chǎn)DOS-11A型電導(dǎo)率儀;78-1型磁力攪拌器。
2.2 萃取劑
   本試驗(yàn)采用萃取劑均為蒸餾水。
   在同一溫度下(6℃)測(cè)得的蒸餾水電導(dǎo)率為1.61μS/cm,自來(lái)水的電導(dǎo)率為2.35×102μS/cm。
   可以看出蒸餾水的電導(dǎo)率相對(duì)于后面測(cè)定的活性炭的電導(dǎo)率很小,而自來(lái)水的電導(dǎo)率相對(duì)于活性炭萃取水的電導(dǎo)率較大,因而用蒸餾水萃取活性炭較適合。
2.3 炭水比與炭水量
   參考日本水道協(xié)會(huì)(JWWAK113-1985)規(guī)定的活性炭電導(dǎo)率測(cè)定方法,采用炭與水1:100的比例。對(duì)于常用活性炭,此炭水比例既能保證充分萃取活性炭,又不至于使萃取液濃度過(guò)低或過(guò)高。按照這樣的炭水比的萃取液在電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x上的數(shù)值分布比較合適。
   本試驗(yàn)采用的炭與水的量為1g活性炭加100g水。
2.4 試驗(yàn)方法
2.4.1 加熱萃取法
   稱取1.00g已磨好通過(guò)180目干燥后冷卻至室溫的活性炭試樣置于250mL具塞磨口錐形瓶中,加蒸餾水100mL;將瓶塞子與磨口處墊一片小紙條,以防錐形瓶因加熱使蒸氣壓力升高將塞子彈出并且可以減少蒸發(fā)損失;將其置于沸水浴中一定時(shí)間,適時(shí)振蕩,過(guò)濾萃取液,棄去前30mL左右,收集適量濾液于另一100mL具塞磨口錐形瓶中,將瓶置于恒溫水浴中約10min,等瓶?jī)?nèi)液體溫度達(dá)到恒定后,測(cè)其電導(dǎo)率。
2.4.2 電磁攪拌萃取法
   稱取1.00g干燥后冷卻的活性炭試樣于250mL具塞磨口錐形瓶中,加蒸餾水100mL,將瓶置于電磁攪拌器上,中速攪拌一定時(shí)間,過(guò)濾萃取液,棄去前30mL左右,收集適量濾液于另一100mL具塞磨口錐形瓶中,將瓶置于恒溫水浴中約10min,待瓶?jī)?nèi)液體溫度達(dá)到恒定后,測(cè)其電導(dǎo)率。
3. 活性炭電導(dǎo)率測(cè)定中萃取方法比較和討論
3.1 以氯化鋅法糖用活性炭為例
   相同測(cè)量溫度(20℃)下兩種萃取方法的萃取時(shí)間與電導(dǎo)率關(guān)系,如表1。
表1 氯化鋅法糖用活性炭的萃取時(shí)間-電導(dǎo)率關(guān)系
時(shí)間,min
加熱萃取電導(dǎo)率,μS/cm
電磁攪拌萃取電導(dǎo)率,μS/cm
1
3.4 × 102
3.2 × 102
2
3.6 × 102
3.4 × 102
3
3.7 × 102
3.6 × 102
12
3.8 × 102
3.7 × 102
15
3.8 × 102
3.7 × 102
24
3.8 × 102
3.7 × 102
30
3.8 × 102
3.7 × 102
45
3.8 × 102
3.7 × 102
60
3.9 × 102
3.7 × 102
3.2 以磷酸法糖用活性炭為例
   相同測(cè)量溫度(10℃)下兩種萃取方法的萃取時(shí)間與電導(dǎo)率關(guān)系,如表2。
表2 磷酸法糖用活性炭的萃取時(shí)間-電導(dǎo)率關(guān)系
時(shí)間,min
加熱萃取電導(dǎo)率,μS/cm
電磁攪拌萃取電導(dǎo)率,μS/cm
5
2.9 × 102
2.5 × 102
15
3.1 × 102
2.6 × 102
25
3.1 × 102
2.6 × 102
3.3 以一般工業(yè)用活性炭為例
   相同測(cè)量溫度(9℃)下兩種萃取方法的萃取時(shí)間與電導(dǎo)率關(guān)系,如表3。
表3 一般工業(yè)用活性炭的萃取時(shí)間-電導(dǎo)率關(guān)系
時(shí)間,min
加熱萃取電導(dǎo)率,μS/cm
電磁攪拌萃取電導(dǎo)率,μS/cm
5
4.2 × 102
3.3 × 102
15
4.3 × 102
3.4 × 102
25
4.3 × 102
3.4 × 102
   由以上三組數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出:(1)采用兩種萃取方法分別萃取一段時(shí)間(15min)后所得的溶液電導(dǎo)率都趨于穩(wěn)定。這是由于經(jīng)過(guò)一段時(shí)間溶解達(dá)到平衡的緣故;(2)對(duì)不同類(lèi)型的活性炭差異不相同。這說(shuō)明原料及其制造方法對(duì)活性炭中所含的可溶物的溶解性質(zhì)有影響;(3)對(duì)同一種活性炭,采用沸水浴萃取所得的溶液電導(dǎo)率比電磁攪拌萃取所得的高。這是由于沸水浴萃取過(guò)程中萃取液溫度達(dá)到90℃以上,使得活性炭的溶出物增加,可溶物的溶解度也增大;沸水浴萃取過(guò)程中水分蒸發(fā)損失,使萃取所得的溶液濃度升高。很顯然,這兩種萃取方法對(duì)活性炭的萃取效果并不相同。
   在活性炭的實(shí)際使用中,吸附往往是在高于室溫的熱溶液中進(jìn)行的。因此采用沸水浴萃取對(duì)于測(cè)量活性炭的電導(dǎo)率較具有實(shí)際意義。但是如果蒸發(fā)量太大,顯然會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。為了弄清蒸發(fā)量究竟對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)定有多大影響,又作了如下實(shí)驗(yàn)。稱一定量蒸餾水N于具塞磨口錐形瓶中,將瓶塞子與磨口處墊一片小紙條,用天平稱出初始總重量M1,然后將瓶置于沸水浴中加熱一定時(shí)間,再將瓶取出擦干外壁水分,待其冷卻后稱出總重量M2,M1−M2即蒸發(fā)量。蒸發(fā)量除以*初加入的蒸餾水量N,即得到相對(duì)蒸發(fā)量。
   取25mL、100mL錐形瓶加入一定量蒸餾水做蒸發(fā)量實(shí)驗(yàn),結(jié)果如表4。
表4 水分相對(duì)蒸發(fā)量
瓶號(hào)
蒸餾水加入量N,g
總重量M1,g
總重量M2,g
蒸發(fā)量
(M1−M2),g
相對(duì)蒸發(fā)量,%
(M1−M2)/N×100%
1#:(250mL錐形瓶,加熱15min)
99.9997
179.7837
179.4485
0.3352
0.335
2#:(100mL錐形瓶,加熱30min)
38.5104
108.7235
108.5429
0.1816
0.472
   由表4可以看出:采用沸水浴萃取,其相對(duì)蒸發(fā)量很小,可以忽略不計(jì)。因此,沸水浴萃取所得的溶液電導(dǎo)率與電磁攪拌萃取所得溶液的電導(dǎo)率的差異主要是由于升溫使活性炭的溶出物增加,可溶物的溶解度增大而引起的。
3.4 具有代表性的幾種不同類(lèi)型的活性炭
   這些活性炭分別應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、水處理、一般工業(yè)用脫色等方面。其制造方法有氯化鋅法、磷酸法、水蒸氣法等。原料取自鋸木屑、果殼、木炭等。在不同測(cè)量溫度、相同萃取時(shí)間(15min)下,分別采用上述萃取方法,比較測(cè)得的電導(dǎo)率,見(jiàn)表5。
表5 不同類(lèi)型的活性炭在不同測(cè)量溫度下測(cè)得的電導(dǎo)率
品種
加熱萃取電導(dǎo)率,μS/cm
電磁攪拌萃取電導(dǎo)率,μS/cm
氯化鋅法糖用活性炭(20℃)
3.8 × 102
3.7 × 102
磷酸法糖用活性炭(10℃)
3.1 × 102
2.6 × 102
針劑用活性炭(30℃)
0.43 × 102
0.33 × 102
化學(xué)法工業(yè)用粉狀活性炭(10℃)
6.9 × 102
5.8 × 102
物理法果殼活性炭(40℃)
4.4 × 102
3.1 × 102
物理法工業(yè)用活性炭(6℃)
0.68 × 102
0.66 × 102
4. 結(jié)論
   由以上實(shí)驗(yàn)可以看出,單純采用電磁攪拌萃取所測(cè)得的電導(dǎo)率不能合理反映活性炭在熱溶液中的實(shí)際情況,而采用沸水浴加熱萃取對(duì)于測(cè)量活性炭的電導(dǎo)率既有效又更具有實(shí)際意義。

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