NKA-Ⅱ樹脂吸附苯甲酸的熱力學(xué)研究

劉 蘭 彭 瀚 溫麗媛

(廣東石油化工學(xué)院，化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

NKA-Ⅱ樹脂吸附苯甲酸的熱力學(xué)研究

劉 蘭 彭 瀚 溫麗媛

(廣東石油化工學(xué)院，化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

研究了NKA-Ⅱ大孔吸附樹脂吸附苯甲酸的熱力學(xué)特性。 在溫度為298 K 、308 K和 318 K 條件下分別測(cè)定了吸附平衡數(shù)據(jù)并應(yīng)用Freundlich和Langmiur等溫吸附方程進(jìn)行擬合。結(jié)果表明，苯甲酸在NKA-Ⅱ大孔吸附樹脂上的吸附平衡符合Freundlich等溫吸附方程。熱力學(xué)分析發(fā)現(xiàn) ΔH>0、ΔG<0、ΔS>0，表明苯甲酸在大孔吸附樹脂上的吸附屬于可自發(fā)進(jìn)行的物理吸附，吸附過程吸熱，但吸附熱較小，溫度對(duì)吸附過程的影響較小。

大孔吸附樹脂 吸附 苯甲酸 熱力學(xué)

苯甲酸是一類常見的環(huán)境污染物，常存在于化工、食品和醫(yī)藥工業(yè)的廢水中，多為芳香化合物生物代謝的中間產(chǎn)物[1,2]。苯甲酸在工業(yè)廢渣、廢液中廣泛存在。大量苯甲酸類化合物的生產(chǎn)和使用使土壤和地下水體均遭受不同程度的污染，故苯甲酸的排放給環(huán)境帶來污染，對(duì)環(huán)境造成危害。

吸附法是處理水中有毒有害有機(jī)物的最常用的操作方法之一[3]。已見報(bào)道的苯甲酸吸附劑有活性炭、大孔樹脂等。大孔吸附樹脂性質(zhì)穩(wěn)定，可從水溶液中富集，分離和回收有機(jī)物質(zhì)，因此被廣泛應(yīng)用于有機(jī)廢水的處理。本文以NKA-Ⅱ樹脂作為回收苯甲酸的吸附劑，研究NKA-Ⅱ樹脂對(duì)水溶液中苯甲酸的吸附熱力學(xué)特性。

1實(shí)驗(yàn)材料和儀器

主要試劑:NKA-Ⅱ樹脂,南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院研制；乙醇 ，分析純，無錫潤利化學(xué)有限公司；苯甲酸，分析純，上海邦成化工有限公司。

主要裝置：DF-Ⅱ集熱式磁力攪拌器，常州澳華儀器有限公司；電熱恒溫干燥箱，上海雄發(fā)儀器有限公司。

2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析

新樹脂預(yù)處理以去除樹脂中所含少量低聚物、有機(jī)物及有害離子。樹脂用2mol/L氫氧化鈉溶液浸泡6 h后水洗至中性，然后用95%乙醇浸泡12 h，后沖洗至無任何醇味，烘干。稱取NKA-Ⅱ樹脂置于錐形瓶中，加入含苯甲酸廢水溶液，置于一定溫度恒溫水浴振蕩器中，按一定時(shí)間間隔取溶液，用標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液滴定，計(jì)算t時(shí)刻濃度、t時(shí)刻吸附量以及吸附率。

2.1 靜態(tài)吸附等溫線

在不同溫度時(shí)，NKA-Ⅱ樹脂吸附苯甲酸的吸附數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 298 K靜態(tài)吸附數(shù)據(jù)表Table 1 298 k static adsorption data

圖1 苯甲酸在NKA-Ⅱ樹脂上的靜態(tài)吸附等溫線Fig 1 static adsorption isothermof benzoic acid on NKA-Ⅱ resin

由圖1可知，在不同溫度條件下，吸附量隨著溫度的升高而略有增加。NKA-Ⅱ樹脂吸附苯甲酸的過程是一個(gè)吸熱過程，適當(dāng)?shù)脑黾訙囟?、增大濃度有利于吸附?/p>

2.2 吸附熱力學(xué)分析[4,5]

吸附焓變△H根據(jù)Claperon-clausius方程計(jì)算：

lnCe=-lnKo+△H/RT

式中 R—理想氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K)；

T—絕對(duì)溫度，K；

C—溶質(zhì)在溫度T時(shí)的平衡濃度；

Ko—Clapeyon-clausius常數(shù)。

在不同溫度(298 K,308 K,318 K)下，平衡吸附量為Qe時(shí)，Ce可以根據(jù)Freundlich方程式求得，繪制ln(1/Ce)與1/T的直線，并進(jìn)行線性擬合，即可求出吸附焓變量△H，計(jì)算結(jié)果見下表。

吸附自由能△G的值，可以根據(jù)Gibbs吸附等溫描述推導(dǎo)出計(jì)算吸附自由能變公式：

△G=-nRT方程，n為Freundlich方程中的系數(shù)。

吸附熵變可以根據(jù)Gibbs-Helmholtz方程△S在=(△H-△G)/T計(jì)算。NKA-Ⅱ樹脂吸附苯甲酸的熱力學(xué)數(shù)據(jù)見下表：

表2 NKA-Ⅱ樹脂吸附苯甲酸的熱力學(xué)參數(shù)Table 2 thermodynamic parameters of NKA-Ⅱ resin adsorption benzoic acid

由上表可知苯甲酸在NKA-Ⅱ樹脂上的等量吸附焓變△H>0，表明苯甲酸在NKA-Ⅱ大孔樹脂上的吸附過程為吸熱過程，提高溫度有利于吸附過程的進(jìn)行；但是△H在5 kJ·mol-1左右，焓變值較小，表明升高溫度對(duì)吸附的過程的影響不明顯，同時(shí)也表明苯甲酸在NKA-Ⅱ型樹脂上的吸附不存在配位基交換和化學(xué)鍵力等強(qiáng)吸附力的作用，表明樹脂對(duì)苯甲酸吸附為物理吸附過程。

吸附焓△H隨樹脂吸附量Qe的增加而減小；吸附自由能變△G均為負(fù)值，說明樹脂對(duì)苯甲酸的吸附能自發(fā)進(jìn)行；苯甲酸在NKA-Ⅱ樹脂上的吸附熵變△S>0，說明了在苯甲酸的吸附過程中同時(shí)存在著溶劑的解吸，苯甲酸的吸附過程自由度減小，為熵減過程，而溶劑即水的解吸過程則是熵增過程，由于水分子的分子量遠(yuǎn)小于苯甲酸的分子量，所以每個(gè)苯甲酸分子的吸附將導(dǎo)致了多個(gè)水分子的解吸。因此，盡管吸附過程會(huì)使苯甲酸分子的自由度減小，但是由于樹脂中更多的水分子的解吸，最終結(jié)果就導(dǎo)致了熵的增加。

3結(jié) 論

(1)吸附量隨著溫度的升高而略有增加。NKA-Ⅱ樹脂吸附苯甲酸的過程是一個(gè)吸熱過程，適當(dāng)?shù)脑黾訙囟取⒃龃鬂舛扔欣谖健?/p>

(2)苯甲酸在NKA-Ⅱ樹脂上的等量吸附焓變△H>0，表明苯甲酸在NKA-Ⅱ大孔樹脂上的吸附過程為吸熱過程，提高溫度有利于吸附過程的進(jìn)行。

(3)吸附焓△H隨樹脂吸附量Qe的增加而減小；吸附自由能變△G均為負(fù)值，說明樹脂對(duì)苯甲酸的吸附能自發(fā)進(jìn)行；苯甲酸在NKA-Ⅱ樹脂上的吸附熵變△S>0，說明了吸附過程中同時(shí)存在著溶劑的解吸，苯甲酸的吸附過程自由度減小，為熵減過程。

[1] 汪星志,汪曉軍,王蓓蓓,徐金玲. 含錳氧化物的陶粒催化臭氧氧化苯甲酸廢水[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào),2016,(07):3 653～3 656.

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StudyontheAdsoptionThermodynamicsofBenzoicAcidonMacroporous

Liu Lan Peng Han Wen Liyuan

(College of Chemical Engineering, Guangdong University of Petrochemical Technology,Guangdong Mao Ming 525000)

The NKA II macroporous adsorption resin adsorption thermodynamic properties of benzoic acid were stadiet. Under the temperatures of 298, 308 and 318 K, the adsorption equilibrium data were determined and fitting with Freundlich and Langmiur isothermal adsorption equation. The results showed that the acid in NKA-Ⅱ macroporous adsorption resin adsorption equilibrium was in line with the Freundlich isothermal adsorption equation.On this basis, through the thermodynamic analysis it was found the ΔH>0, ΔG<0, ΔS>0. It was suggested that benzoic acid adsorbed on macroporous adsorption resin were spontaneously physical adsorption, adsorption process was endothermic, but adsorption heat was small, the influence of temperature on the adsorption process was smaller.

Macroporous adsorption resin adsorption benzoic acid thermodynamics

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.11.004

2017-07-11

劉蘭(1981～ )，女，主要從事化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)室教學(xué)工作，E-mail：383733546@qq.com