活性炭對吡啶的吸附研究，吡啶是一種無色易燃液體，具有難聞的氣味，廣泛用于制造精細化學品(如藥物，維生素，染料)，農用化學品等。因此，在工業廢水中常見，導致環境污染問題。這促使人們開發了一些方法去除水溶液中的污染物，如生物降解，臭氧化，吸附等。

　　在吸附系統中，活性炭是用于從水溶液中去除有機化合物的最有效的吸附劑之一。活性炭對控制幾種芳香族污染物(揮發性有機化合物，酚類，農藥和除草劑)的最佳可行技術之一。此外，據報道，活性炭可以有效地從水溶液中除去吡啶。

　　活性炭等多孔材料的整體吸附速率包括三個連續的步驟：外部質量傳遞，顆粒內擴散和固體基質活性位點的吸附。顆粒內擴散可能是由于孔體積擴散，表面擴散或兩種機制的組合。孔體積擴散是指由于流體相中的濃度梯度(即分子機理)引起的被吸附物的移動，但是受多孔基質的幾何形狀的影響。對于稀溶液，孔體積擴散僅取決于分子擴散系數和微尺度相的空間分布。后一種概念定義了多孔介質的幾何特性，如孔隙度和曲折度。表面擴散是指被吸附物通過固體表面的運動，也受到相分布的影響; 主要驅動力是表面濃度梯度。

　　在像活性炭這樣呈現層次結構的許多系統中，主要挑戰之一是對便捷的觀察范圍的理論描述。因此，對于設計和建模而言，宏觀平均量是足夠的，但是為了考慮尺寸較小的物理尺寸，需要一個放大的方法。一個標準的程序是在許多類型的運輸問題中使用的體積平均法。在考慮均相兩相多孔介質中的線性等溫線的情況下對溶質的擴散和吸附輸運進行了理論上的升級，并報道了用于預測有效性質的相關閉合問題。隨后，將散裝和表面反應的效果納入了包裝棉線染色的研究中，并報道了預測有效性能的關聯問題。盡管如此，反應條件對有效性質(如有效擴散率)的影響尚不清楚，并且已經在文獻中進行了一些努力以深入了解這個問題。

　　在這篇內容中，從放大過程的角度研究了吡啶在活性炭上的吸附問題，并確定了相應的有效輸運性質。通過體積平均方法研究微觀尺度上的現象。因此，宏觀上的控制方程被獲得，以有效性質表示。這些方程被用來解釋實驗數據和預測孔隙和表面有效擴散率。為此，假設微觀結構具有簡單的幾何形狀(圓柱體和球體的有序介質)或者從SEM(掃描電子顯微鏡)顯微照片處理的圖像獲得。此外，作為粗略估計，報道了點表面擴散率。

　　吸附平衡數據

　　使用500mL的錐形瓶作為分批吸附劑以獲得實驗吸附平衡數據。將已知負荷活性炭的尼龍網袋放入燒瓶中，然后加入吡啶溶液。吸附過程是恒溫并持續攪拌。吡啶在活性炭上的實驗吸附平衡數據如下獲得。將具有1g 活性炭和480mL吡啶溶液的尼龍網袋(在pH = 10時具有已知的初始濃度)加入到批量吸附器中。在不同pH值和溫度下活性炭上吡啶的吸附平衡。在pH10時，活性炭對水溶液中吡啶的吸附能力最高。因此，選擇該pH值來研究活性炭上的吡啶吸附速率。

　　初始吡啶濃度從20到1000mg / L不等。吡啶溶液保持與活性炭顆粒接觸直至達到平衡。定期測量溶液的pH值，并通過適當添加0.01和0.1M的HCl和NaOH溶液保持恒定。達到平衡后，通過分光光度法測定溶液中的吡啶濃度，通過使吡啶質量平衡計算平衡吸附的吡啶質量。在之前沒有活性炭的運行中，證明吡啶不吸附在尼龍袋上。

　　水溶液中吡啶濃度的測定

　　通過UV-可見光譜測定水溶液中的吡啶濃度。使用UV-160分光光度計在249.5nm的波長下測量吡啶溶液的吸光度。因此，用濃度范圍為10-50mg / L的五種標準吡啶溶液制備的校準曲線(吸光度對濃度)估算樣品的吡啶濃度。

　　獲取吸附數據的方法

　　使用旋轉的籃式批次吸附器來獲得吡啶在活性炭上的吸附濃度分布。吸附器由1L三頸反應燒瓶和葉片替換為不銹鋼筐的葉輪組成。將吡啶溶液倒入吸附器中，并將活性炭顆粒置于連接到與變速電動機連接的軸上的不銹鋼網籃中。將吸附器部分浸入恒溫水浴中。

　　通過適當地混合0.01N HCl和NaOH溶液來制備pH = 10的溶液(800-980mL)并加入到吸附器中。根據實驗，將含有活性炭(1-5g)的籃子置于幾個轉速條件(100,150,200rpm)下。通過適當地添加0.01和0.1N NaOH溶液來控制溶液的pH。溶液和活性炭保持接觸直到溫度和pH保持恒定。隨后，關掉攪拌器，迅速將已知濃度為pH = 10的吡啶溶液的等分試樣倒入吸附劑溶液中，以獲得所需的初始濃度。加完后，溶液的總體積為1L。馬上啟動葉輪馬達和計時器。用pH計監測溶液的pH值，并如上所述進行調整。加入的NaOH溶液總體積小于2mL，占總體積的0.1%。定期取樣溶液(5mL)并分析以確定吡啶濃度。取樣時間分別為0,1,3,5,10,15,20,25,30,40,50,60,90,120,150和180分鐘。取樣后立即加入5mL補充溶液使吸附劑溶液(1L)的總體積保持恒定。補充溶液的濃度是平衡時初始濃度和最終濃度的平均值。該添加的目的是取代樣品中取出的吡啶的質量。

　　圖像處理和數值解決方案

　　通過掃描電子顯微鏡使用2400倍放大倍數檢查活性炭的形態。使用圖像處理工具箱處理圖像。程序如下。首先，通過將灰度轉換為灰度(從0(黑色)到255(白色)]來改善黑暗和光照區域之間的對比度。由于深色區域在視覺上指示深刻，所以假設這些代表孔隙占據的部分，而淺色區域與固體基質(活性炭)有關。這個想法一點，每個象素的灰度值被跟蹤(來自黑色)，并累積，得到體積分數 ε γ 的較暗的像素。其次，具有等于或小于閾值的值的所有像素被轉換成白色(被孔占據的空間)，而具有較高值的​​像素被轉換成黑色(實心矩陣)。最后，為了增強輪廓的定義，應用濾波器。這個程序允許我們獲得最終的二值圖像，其中白色和總像素數之間的比率等于活性炭的孔隙率。事實上，來自SEM顯微照片的處理圖像提供了解決閉合問題的領域。

　　從整個研究看來活性炭吸附吡啶的濃度衰減曲線。發現總有效擴散系數是平衡時吡啶濃度的增函數，主要是由于有效表面擴散與孔體積擴散相比貢獻較大。另外，通過使用簡單的微結構幾何模型，可以粗略地估計點表面擴散系數。

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