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(chē)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(kāi)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(lài)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(lái)，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(kāi)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(guò)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(chēng)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(guò)0.45μm微孔濾膜過(guò)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?zhuān)撼跏茧A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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)利用工業(yè)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)毒和價(jià)格低廉的特點(diǎn)，大幅降低了處理過(guò)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(guò)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(guò)程的高能耗問(wèn)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(guò)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(pán)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(kāi)發(fā)：從汽車(chē)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(lài)。

　　未來(lái)研究可聚焦于開(kāi)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(xiàn)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(kāi)發(fā)新一代鉑回收技術(shù)提供了科學(xué)依據(jù)，未來(lái)工作應(yīng)側(cè)重于工藝放大和改性活性炭的開(kāi)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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