介紹

吐啉（Thorin）是一種含砷酸性偶氮染料，因可與多種金屬離子發(fā)生特異性顯色反應(yīng)，被廣泛用于鈾、釷等放射性元素及常規(guī)金屬離子的分光光度檢測，是放射化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、化工分析體系中典型的有機(jī)污染物。其分子含偶氮芳香基團(tuán)與砷元素，兼具有機(jī)染料的生態(tài)毒性與砷的重金屬危害，直接排放會(huì)對(duì)水環(huán)境與人體健康造成雙重風(fēng)險(xiǎn)。

圖一 吐啉

吸附去除

活性炭對(duì)吐啉的吸附性能受多種參數(shù)調(diào)控。溶液 pH 是核心影響因素：吐啉分子中磺酸基與砷酸基的 pKa 分別為 1.9 與 2.3，強(qiáng)酸性條件下以陰離子形態(tài)存在；活性炭表面 pH 低于 6 時(shí)帶正電荷，可通過靜電引力結(jié)合吐啉陰離子，因此吸附最優(yōu) pH 為 2.0。隨 pH 升高，活性炭表面電荷反轉(zhuǎn)，氫氧根離子與吐啉陰離子產(chǎn)生競爭吸附，去除率顯著下降。除靜電作用外，活性炭與吐啉之間還存在氫鍵、范德華力等多重作用，共同驅(qū)動(dòng)染料分子富集。吸附劑投加量、接觸時(shí)間與初始濃度同樣調(diào)控處理效果。隨活性炭投加量增加，吸附位點(diǎn)增多，吐啉去除率從 80% 逐步提升至 96%；吸附過程在 60 min 內(nèi)達(dá)到平衡，低初始濃度下吸附速率更快，高濃度條件下平衡吸附量顯著提升，體現(xiàn)出濃度差驅(qū)動(dòng)的傳質(zhì)特性。

圖二 吸附劑劑量對(duì)吐啉吸附的影響

動(dòng)力學(xué)

吐啉在活性炭上的吸附符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，擬合決定系數(shù)高于準(zhǔn)一級(jí)模型，且理論平衡吸附量與實(shí)驗(yàn)值高度吻合，說明吸附速率受化學(xué)吸附機(jī)制主導(dǎo)。顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合顯示，顆粒內(nèi)擴(kuò)散參與吸附過程，但并非唯一控速步驟，液膜擴(kuò)散等過程共同影響吸附速率。吸附等溫線分析顯示，F(xiàn)reundlich等溫模型的擬合效果優(yōu)于 Langmuir 模型，表明吐啉在活性炭表面為非均相多分子層吸附；基于 Langmuir 模型計(jì)算，298 K 下活性炭對(duì)吐啉的單層最大吸附容量達(dá) 267.40 mg/g，遠(yuǎn)高于聚丙烯腈聚合物、含磷聚合物等材料，吸附容量優(yōu)勢顯著。

熱力學(xué)

升溫可促進(jìn)吐啉的吸附去除，該過程為吸熱反應(yīng)，升溫會(huì)加快染料分子的界面擴(kuò)散速率。熱力學(xué)參數(shù)顯示，吸附過程吉布斯自由能變?yōu)樨?fù)值，反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行；焓變與熵變均為正值，說明吸附伴隨體系自由度升高，固液界面無序度增加。在模擬放射性廢液場景中，即便體系存在鈾、釷、銪、鐵、鈣、鈉等多種共存離子，活性炭對(duì)吐啉的去除率仍保持在 98% 以上，抗基質(zhì)干擾能力優(yōu)異。與同類吸附材料相比，商用活性炭無需復(fù)雜改性、成本低廉、耐輻射性好[1]。

參考文獻(xiàn)

[1]Ahmed M I ,Aglan F R ,Hamed M M .Removal of Arsenazo-III and Thorin from radioactive waste solutions by adsorption onto low-cost adsorbent[J].Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry,2017,314(3):2253-2262.DOI:10.1007/s10967-017-5586-2.