活性炭從堿性甘氨酸溶液中吸附鉑

　　鉑作為一種珍貴的鉑族金屬，因其高耐腐蝕性、化學(xué)惰性以及卓越的耐高溫特性，在汽車催化轉(zhuǎn)化器、燃料電池、生物醫(yī)學(xué)工業(yè)和珠寶制造等現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域中扮演著不可或缺的角色。然而，世界鉑金投資委員會(huì)連續(xù)第三年預(yù)測(cè)，2025年全球鉑金市場(chǎng)將出現(xiàn)短缺，并且這一情況將持續(xù)至2029年。從地質(zhì)學(xué)角度看，鉑是一種稀缺金屬，其主要采礦生產(chǎn)國(guó)集中在南非(69%)、俄羅斯(13%)和津巴布韋(11%)。這種地理集中性進(jìn)一步加劇了鉑的稀缺性。

　　鑒于鉑的稀缺性和戰(zhàn)略重要性，開發(fā)高效的回收技術(shù)已成為解決供應(yīng)短缺的關(guān)鍵途徑。傳統(tǒng)的鉑回收方法主要依賴于氰化物和酸性氯化物系統(tǒng)，這些方法雖然有效，但常伴隨環(huán)境污染，包括有毒氣體釋放和有害廢水生成。近年來，堿性氨基酸酸(甘氨酸)作為一種更具環(huán)境友好性的替代方案嶄露頭角，它能夠提供高選擇性且更環(huán)保的回收方法。

　　在眾多分離技術(shù)中，活性炭吸附因其成本低廉、操作簡(jiǎn)便且效率較高，已成為從稀溶液中回收貴金屬的常用方法。然而，大多數(shù)現(xiàn)有研究集中在酸性或氰化物介質(zhì)中活性炭對(duì)鉑的吸附行為，而對(duì)堿性甘氨酸溶液中鉑吸附特性的了解仍屬空白。本研究旨在系統(tǒng)探討活性炭從堿性甘氨酸溶液中吸附鉑的可行性，評(píng)估不同操作參數(shù)對(duì)吸附效率的影響，并為開發(fā)更環(huán)保的鉑回收工藝提供科學(xué)依據(jù)。

　　實(shí)驗(yàn)方法與材料

　　本研究所用的活性炭為韓研椰殼活性炭，使用前經(jīng)去離子水充分洗滌以去除雜質(zhì)，并在105℃下干燥至恒重。實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)試劑包括甘氨酸(分析純)、氰化鈉(分析純)和氯鉑酸(用于制備含鉑溶液)，均采用去離子水配制所需濃度的溶液。

　　吸附實(shí)驗(yàn)在系列恒溫水浴搖床中進(jìn)行，以確保溫度控制的精確性。實(shí)驗(yàn)溶液使用氫氧化鈉和稀硫酸調(diào)節(jié)至所需pH值，并通過pH計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　實(shí)驗(yàn)方法

　　吸附實(shí)驗(yàn)在系列錐形瓶中進(jìn)行，每個(gè)瓶中加入100mL不同初始濃度的含鉑甘氨酸-氰化物溶液。按照預(yù)設(shè)的固液比加入精確稱量的活性炭后，將錐形瓶置于恒溫水浴搖床中，以恒定轉(zhuǎn)速振蕩，確保固液兩相充分接觸。

　　吸附達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間后，取上清液通過0.45μm微孔濾膜過濾，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定濾液中殘余鉑濃度，并計(jì)算吸附效率。每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件均設(shè)置平行樣品，以確保數(shù)據(jù)的可靠性和重現(xiàn)性。

　　活性炭用量的影響

　　活性炭用量是影響鉑吸附效率的關(guān)鍵因素之一。本研究考察了0.5至3.0g/L范圍內(nèi)活性炭用量對(duì)鉑吸附的影響。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)活性炭用量從0.5g/L增加至1.0g/L時(shí)，鉑的吸附效率從92.37%顯著提升至95.18%。這一顯著增長(zhǎng)主要?dú)w因于可供吸附的活性位點(diǎn)數(shù)量增加，提供了更多的鉑結(jié)合位點(diǎn)。隨著用量進(jìn)一步增加至3.0g/L，吸附效率雖繼續(xù)提高至97.93%，但增長(zhǎng)幅度明顯減緩，表明單位質(zhì)量活性炭的利用率下降。

　　這種現(xiàn)象可由活性炭表面異質(zhì)性解釋：初始階段，最易接觸的高能量吸附位點(diǎn)優(yōu)先被占據(jù);隨用量增加，逐漸利用的是能量較低、可及性較差的位點(diǎn)。從實(shí)際應(yīng)用角度，過量活性炭不僅提高運(yùn)營(yíng)成本，還會(huì)導(dǎo)致后續(xù)固液分離困難。因此，本研究中1.0g/L的活性炭用量被視為經(jīng)濟(jì)效益與吸附效率的最佳平衡點(diǎn)。

　　溫度的影響

　　溫度對(duì)活性炭吸附鉑的過程有著復(fù)雜影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在25℃至80℃的研究范圍內(nèi)，溫度升高有利于提高鉑的吸附效率。在25℃條件下，吸附效率為70.00%;當(dāng)溫度升至80℃時(shí)，效率顯著提高至95.72%。溫度升高帶來的積極效應(yīng)可歸因于以下幾個(gè)方面：首先，高溫增加了鉑離子的動(dòng)能，提高了其與活性炭表面接觸的概率;其次，溫度上升可能增強(qiáng)了鉑離子在活性炭孔隙內(nèi)的擴(kuò)散速率;此外，高溫還可能改變了鉑-甘氨酸-氰化物配合物的化學(xué)形態(tài)，使其更易被活性炭吸附。

　　值得注意的是，即使在較低溫度(25℃)下，吸附效率仍達(dá)到70%，表明活性炭在堿性甘氨酸體系中對(duì)鉑具有良好的基礎(chǔ)親和力。然而，為實(shí)現(xiàn)更高效率(>90%)，適度升溫是必要的。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)工業(yè)應(yīng)用具有重要意義，可通過利用工業(yè)過程余熱，實(shí)現(xiàn)能耗與回收效率的優(yōu)化平衡。

　　pH值的影響

　　溶液pH值通過影響活性炭表面電荷及鉑配合物的化學(xué)形態(tài)，對(duì)吸附過程產(chǎn)生重要影響。本研究評(píng)估了pH8至12范圍內(nèi)的吸附效率。在研究的堿性范圍內(nèi)(pH8-12)，鉑吸附效率隨pH值升高而穩(wěn)步提升，從94.08%(pH8)增至97.39%(pH12)。這一趨勢(shì)與常規(guī)認(rèn)知有所不同，在多數(shù)金屬離子吸附中，高pH值常因活性炭表面負(fù)電荷與金屬羥基配合物間的靜電排斥而降低吸附效率。

　　本研究觀察到的相反趨勢(shì)可能源于堿性甘氨酸-氰化物體系中鉑的特殊存在形態(tài)。在高pH環(huán)境下，鉑可能形成與活性炭表面有強(qiáng)親和力的陰離子配合物。此外，堿性條件可能改變了活性炭表面的官能團(tuán)狀態(tài)，如增強(qiáng)了某些含氧基團(tuán)的電離程度，從而促進(jìn)了鉑配合物的吸附。值得注意的是，在pH10至12的范圍內(nèi)，吸附效率差異不大(96.43%-97.39%)，表明該系統(tǒng)在較寬堿性范圍內(nèi)均能保持高效吸附，這為工業(yè)應(yīng)用提供了靈活的pH操作窗口。

　　溶液成分的影響

　　甘氨酸濃度

　　甘氨酸作為鉑的配合劑，其濃度對(duì)鉑的吸附行為有顯著影響。研究表明，在0.1M至1.0M的甘氨酸濃度范圍內(nèi)，鉑的吸附效率保持在較高水平，從95.72%略微上升至96.53%。這種微小變化表明甘氨酸濃度不是吸附過程的限制因素，也反映了活性炭對(duì)鉑-甘氨酸配合物具有廣泛濃度適應(yīng)性。

　　甘氨酸在系統(tǒng)中扮演雙重角色：一方面作為配合劑與鉑形成可溶性配合物;另一方面可能通過其氨基和羧基與活性炭表面發(fā)生相互作用，間接影響吸附過程。值得關(guān)注的是，即使在高甘氨酸濃度(1.0M)下，鉑的吸附效率也未受明顯抑制，這預(yù)示著甘氨酸與鉑形成的配合物對(duì)活性炭仍保持高親和力，且可能與活性炭表面存在多種相互作用機(jī)制，如配體交換、靜電吸引等。

　　氰化物濃度

　　氰化物是影響鉑吸附的另一關(guān)鍵組分。在0.05M至0.2M的氰化物濃度范圍內(nèi)，鉑的吸附效率從95.72%小幅提升至97.12%。這種正向但有限的影響表明氰化物可能通過改變鉑配合物的組成或電荷特性，增強(qiáng)了其與活性炭表面的親和力。

　　在堿性甘氨酸-氰化物體系中，鉑很可能形成混合配體配合物，如[Pt(Gly)(CN)_x]^n-形式(其中Gly代表甘氨酸)。隨著氰化物濃度增加，配合物中氰基比例可能上升，改變配合物的整體電荷和空間結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其吸附行為。值得注意的是，即使氰化物濃度較低(0.05M)，系統(tǒng)仍能保持高效吸附(95.72%)，這對(duì)減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)具有積極意義，因?yàn)樗�允許在更低氰化物濃度下實(shí)現(xiàn)高效鉑回收。

　　初始鉑濃度

　　初始鉑濃度對(duì)吸附過程的影響評(píng)估表明，在25至100mg/L的范圍內(nèi)，鉑吸附效率保持在較高水平(95.16%-96.23%)。在低濃度(25mg/L)下，吸附效率為95.16%;隨著濃度增加至50mg/L，效率略微上升至96.23%;繼續(xù)增至100mg/L時(shí)，效率穩(wěn)定在95.82%。

　　這一趨勢(shì)表明活性炭在堿性甘氨酸體系中對(duì)鉑具有高吸附容量，即使在相對(duì)高濃度下也未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。活性炭對(duì)鉑的高親和力使得在寬濃度范圍內(nèi)都能保持穩(wěn)定高效的吸附，這對(duì)于處理實(shí)際廢水或工藝溶液非常有利，因?yàn)檫@些溶液中的鉑濃度可能波動(dòng)較大。此外，研究結(jié)果還證實(shí)該方法特別適用于處理低濃度含鉑溶液，為解決傳統(tǒng)方法回收稀溶液中鉑的難題提供了新途徑。

　　吸附機(jī)理與環(huán)境效益分析

　　吸附機(jī)理探討

　　活性炭從堿性甘氨酸-氰化物溶液中吸附鉑的過程涉及多種機(jī)制的協(xié)同作用。與傳統(tǒng)的酸性氯化物系統(tǒng)中鉑以陽(yáng)離子形式(如Pt^4+)存在不同，在堿性甘氨酸-氰化物環(huán)境中，鉑很可能形成陰離子混合配體配合物，如[Pt(Gly)(CN)_2]^-或[Pt(Gly)_2(CN)_2]^2-等。

　　活性炭表面的化學(xué)異質(zhì)性為這些鉑配合物的吸附提供了多樣化位點(diǎn)。其吸附機(jī)制可能包括：

　　(1)靜電吸引：活性炭表面在堿性條件下可能帶有部分正電荷區(qū)域，與帶負(fù)電的鉑配合物產(chǎn)生吸引;

　　(2)配體交換：活性炭表面的含氧官能團(tuán)(如羧基、羥基)可能與鉑配合物中的配體發(fā)生交換反應(yīng);

　　(3)疏水相互作用：鉑配合物中的有機(jī)部分(甘氨酸)與活性炭的石墨烯基底之間存在疏水作用;

　　(4)π-π堆積：芳香性配體與活性炭的sp^2碳網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用。

　　研究觀察到升溫有利于吸附，表明該過程可能包含化學(xué)吸附成分，而不僅僅是物理吸附。此外，活性炭經(jīng)過氫氧化鈉活化處理后(TU60炭)對(duì)鉑表現(xiàn)出更高選擇性，這可能源于表面官能團(tuán)的優(yōu)化，創(chuàng)造了更利于鉑配合物吸附的微環(huán)境。

　　環(huán)境效益分析

　　與傳統(tǒng)氰化物和酸性氯化物系統(tǒng)相比，堿性甘氨酸體系結(jié)合活性炭吸附技術(shù)具有顯著環(huán)境優(yōu)勢(shì)。甘氨酸作為一種天然氨基酸，具有可生物降解、無毒和價(jià)格低廉的特點(diǎn)，大幅降低了處理過程和殘余液的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

　　在資源可持續(xù)性方面，該技術(shù)為鉑的循環(huán)利用提供了新途徑，符合歐盟關(guān)鍵原材料和循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略中關(guān)于提高鉑族金屬回收率的目標(biāo)。活性炭作為吸附劑，本身可多次再生使用，或在飽和后通過焚燒直接回收鉑富集物，實(shí)現(xiàn)廢物最小化。

　　從能源消耗角度，該技術(shù)可在相對(duì)溫和的條件下(如中等溫度、常壓)實(shí)現(xiàn)高效鉑回收，避免了傳統(tǒng)高溫冶金過程的高能耗問題。此外，研究證實(shí)該系統(tǒng)在較寬pH范圍(8-12)內(nèi)均能保持高效，減少了精確pH控制的能耗和化學(xué)品消耗。

　　應(yīng)用前景

　　基于活性炭的堿性甘氨酸鉑吸附技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力：

　　工業(yè)廢水處理：該技術(shù)特別適用于處理低濃度含鉑廢水，如電鍍、催化制造和化工過程產(chǎn)生的廢水，能有效回收有價(jià)金屬并達(dá)標(biāo)排放。

　　電子廢棄物回收：隨著電子廢棄物數(shù)量激增，從廢舊電路板、硬盤等電子元件中回收鉑成為可能，該技術(shù)提供了一條環(huán)境友好的回收路徑。

　　礦業(yè)冶金工藝：可作為現(xiàn)有鉑提取工藝的補(bǔ)充或替代方案，尤其適用于處理復(fù)雜多金屬礦石，其高選擇性有助于提高鉑的純度和回收率。

　　城市礦山開發(fā)：從汽車催化轉(zhuǎn)化器等含鉑廢棄產(chǎn)品中回收鉑，減少對(duì)原生礦產(chǎn)的依賴。

　　未來研究可聚焦于開發(fā)特異性更高的改性活性炭，如氧化活性炭、復(fù)配合劑活性炭等，以進(jìn)一步提升吸附選擇性和容量。此外，工藝集成與優(yōu)化也是重要方向，包括吸附柱連續(xù)操作參數(shù)、活性炭在線再生技術(shù)以及鉑的高效解吸方法等。

　　本研究系統(tǒng)評(píng)估了活性炭從堿性甘氨酸溶液中吸附鉑的性能，得出以下結(jié)論：

　　1.在優(yōu)化條件下，活性炭對(duì)鉑的吸附效率可達(dá)95%以上，證明該技術(shù)具有工業(yè)應(yīng)用潛力。

　　2.各操作參數(shù)對(duì)吸附效率的影響程度不同，其優(yōu)化范圍分別為：活性炭用量1.0-1.5g/L、溫度60-80℃、pH10-12、甘氨酸濃度0.1-1.0M、氰化物濃度0.1-0.2M、初始鉑濃度25-100mg/L。

　　3.與傳統(tǒng)的酸性氯化物和氰化物系統(tǒng)相比，堿性甘氨酸-活性炭組合具有顯著環(huán)境優(yōu)勢(shì)，為鉑回收提供了一種更可持續(xù)的選擇。

　　4.活性炭在該體系中對(duì)鉑的吸附可能是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果，包括靜電吸引、配體交換和疏水相互作用等。

　　本研究為開發(fā)新一代鉑回收技術(shù)提供了科學(xué)依據(jù)，未來工作應(yīng)側(cè)重于工藝放大和改性活性炭的開發(fā)，以進(jìn)一步提升該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益。

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