一种综合评价吸附材料吸附性能的方法

摘要

本发明属于吸附剂吸附性能评价技术领域，具体涉及一种综合评价吸附材料吸附性能的方法，包括以下步骤：步骤1、确定需要参与评价的吸附剂数量；步骤2、分别计算n种吸附剂在同一吸附质的不同初始浓度下的最大吸附量与吸附速率；步骤3、建立拟合模型；步骤4、计算拟合模型的最大吸附速率和达到最大吸附速率一半时所对应的初始浓度；步骤5、计算拟合模型的半最大吸附速率；步骤6、计算吸附剂对应的亲和力；步骤7、绘制亲和力‑吸附量象限图；步骤8、将若干吸附剂划分三部分；步骤9、根据当前工况选取所需的吸附剂。本发明构建了亲和力‑吸附量象限图，对吸附材料综合评价分类，有利于助力自然水体生态修复和工业废水的磷回收利用。

说明书

技术领域

本发明属于吸附剂吸附性能评价技术领域，具体涉及一种综合评价吸附材料吸附性能的方法。

背景技术

近年来，随着我国经济发展水平的进一步提高，大量的工业废水、农业地表径流以及城市生活废水进入了自然水体，导致水环境问题逐步增多。溶解在水中的重金属逐级传递、富集，经由生物链威胁到人体的生命安全。氮磷等营养元素的持续输入，超出了湖泊等自然水体的自净能力，导致水体富营养化，为蓝藻增殖和优势确立创造了条件，促使蓝藻水华暴发。

吸附法具有运行成本低、操作简易、处理效能高等特点，被广泛用于污染物去除和磷等不可再生资源的回收利用。目前已研发出一系列金属氧化物、天然矿物、羰基材料、合成或者天然聚合物等吸附剂。这些吸附剂通常具有多样化的吸附能力，包括吸附量、对目标吸附质的亲和能力等。这些指标共同决定了吸附剂对目标污染物的吸附效率和适用范围，是评价吸附剂综合效能和运用场景的重要依据。然而，目前对吸附效能的评价还广泛采用单一的指标，即注重吸附量的增加。缺乏吸附剂与目标污染物之间亲和关系的定性定量技术，不利于开发综合吸附性能优良的吸附剂，严重阻碍了吸附法高效污染物去除或资源回收的发展。故，需要一种新的技术或评价方法来定量综合吸附性能，明确吸附剂的综合性能和优缺点，为吸附法去除污染物或回收利用不可再生资源、保护水环境、助力绿色经济发展提供贡献。

发明内容

本发明提供一种综合评价吸附材料吸附性能的方法，构建了亲和力-吸附量象限图，对吸附材料综合评价分类，形式简单，容易建立，助力于自然水体高效污染物去除或资源回收利用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种综合评价吸附材料吸附性能的方法，包括以下步骤：

步骤1、确定需要参与评价的吸附剂数量：

设需要参与评价的吸附剂有n种；

步骤2、计算吸附量与吸附速率：

分别计算n种吸附剂在同一吸附质的不同初始浓度下的最大吸附量与吸附速率；

步骤3、建立n个初始浓度-吸附速率拟合模型：

将同一吸附质的不同初始浓度与步骤2中计算得到的n种吸附剂在同一吸附质的不同初始浓度下的吸附速率进行拟合，得到n个初始浓度-吸附速率拟合模型；

步骤4、计算每个初始浓度-吸附速率拟合模型的最大吸附速率V

根据步骤3中得到的n个初始浓度-吸附速率拟合模型，得到n个初始浓度-吸附速率拟合模型的最大吸附速率V

步骤5、计算n个初始浓度-吸附速率拟合模型的半最大吸附速率V

根据步骤4中得到的n个初始浓度-吸附速率拟合模型的最大吸附速率V

步骤6、计算n种吸附剂对应的亲和力tanα：

根据步骤4中得到的n个达到最大吸附速率一半时所对应的初始浓度K

步骤7、绘制亲和力-吸附量象限图：

将步骤2中得到的n种吸附剂在同一吸附质的不同初始浓度下的最大吸附量，与步骤6中得到的n种吸附剂对应的亲和力构建亲和力-吸附量象限图；

步骤8、将n种吸附剂划分为A区高亲和力低吸附量区域、B区高吸附量低亲和力区域以及C区低吸附量低亲和力区域三部分；

步骤9、选取所需的吸附剂：根据当前工况所需，在步骤8中划分的A区、B区、C区三部分中选取对应区域中的吸附剂，作为当前工况所需吸附剂。

作为本发明的进一步优选，步骤3中，拟合模型公式如下：

公式(1)中，V为吸附剂在同一吸附质的不同初始浓度下的吸附速率；C

作为本发明的进一步优选，步骤5中，半最大吸附速率V

作为本发明的进一步优选，步骤6中，亲和力tanα计算公式如下：

作为本发明的进一步优选，步骤8中，A区、B区、C区三部分具体包括以下步骤：步骤8-1、寻找亲和力-吸附量象限图中心点，将吸附量的中位数作为亲和力-吸附量象限图中心点的横坐标，亲和力中位数作为亲和力-吸附量象限图中心点的纵坐标；

步骤8-2、以亲和力-吸附量象限图中心点为原点，从垂直横坐标所在方向和纵坐标所在方向进行划线，所画两条垂直线的交点记为E点，E点的横坐标为最大吸附量，E点的纵坐标为最大亲和力，将原点与E点连线，从而将亲和力-吸附量象限图划分为A区高亲和力低吸附量区域、B区高吸附量低亲和力区域以及C区低吸附量低亲和力区域三部分。

作为本发明的进一步优选，吸附质为磷。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明基于吸附剂的除磷速率提出了吸附剂亲和力的计算方法，描述了单位磷浓度变化所引起的吸附速率变化，构建了亲和力-吸附量象限图，对吸附材料综合评价分类，形式简单，容易建立，解决了吸附剂的利用与复杂水体环境的现实需求难以相匹配的现状，助力于自然水体生态修复和不可再生资源回收利用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明实施例1吸附剂吸附速率和初始浓度曲线的拟合结果图；

图2为本发明实施例1吸附剂亲和力与吸附量的象限分区结果图；

图3为本发明实施例2吸附剂吸附速率和初始浓度曲线的拟合结果图；

图4为本发明实施例2吸附剂亲和力与吸附量的象限分区结果图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

亲和力在化学领域特指一种原子和另一种原子之间的关联特性，可用来判断吸附剂与吸附质之间的关联程度。本发明提供一种综合评价吸附材料吸附性能的方法，描述吸附质单位浓度变化所引起的吸附速率的变化。通过联合吸附剂的亲和力与吸附量，构建亲和力-吸附量象限图，对吸附材料综合评价分类，助力于自然水体生态修复和不可再生资源回收利用。

实施例1

本实施例提供一种优选实施方案，如图1和图2所示，一种综合评价吸附材料吸附性能的方法，包括以下步骤：

步骤1、确定需要参与评价的吸附剂数量：

设需要参与评价的吸附剂有n种，本实施例中n为20种。

步骤2、计算吸附量与吸附速率：

分别计算n种吸附剂在同一吸附质的不同初始浓度下的最大吸附量与吸附速率；

具体地，以【Adsorptive removal of phosphate from aqueous solutionsusing iron oxide tailings】文献为例，所获数据如表1所示：

表1不同初始浓度下的吸附量与吸附速率

步骤3、建立n个初始浓度-吸附速率拟合模型：

将同一吸附质的不同初始浓度与步骤2中计算得到的n种吸附剂在同一吸附质的不同初始浓度下的吸附速率进行拟合，得到n个初始浓度-吸附速率拟合模型；

具体地，步骤3中，拟合模型公式如下：

公式(1)中，V为吸附剂在同一吸附质的不同初始浓度下的吸附速率；C

步骤4、计算每个初始浓度-吸附速率拟合模型的最大吸附速率V

根据步骤3中得到的n个初始浓度-吸附速率拟合模型，得到n个初始浓度-吸附速率拟合模型的最大吸附速率V

具体地，n种吸附剂中其中一种吸附剂的最大吸附速率V

步骤5、计算n个初始浓度-吸附速率拟合模型的半最大吸附速率V

根据步骤4中得到的n个初始浓度-吸附速率拟合模型的最大吸附速率V

进一步地，步骤5中，半最大吸附速率V

具体地，n种吸附剂中其中一种吸附剂的半最大吸附速率V

步骤6、计算n种吸附剂对应的亲和力tanα：

根据步骤4中得到的n个达到最大吸附速率一半时所对应的初始浓度K

表2不同吸附剂的吸附量与亲和力及相关拟合参数

具体地，步骤6中，亲和力tanα计算公式如下：

步骤7、绘制亲和力-吸附量象限图：

将步骤2中得到的n种吸附剂在同一吸附质的不同初始浓度下的最大吸附量，与步骤6中得到的n种吸附剂对应的亲和力构建亲和力-吸附量象限图；

步骤8、将n种吸附剂划分为A区高亲和力低吸附量区域，适合应用于富营养化自然水体的修复；B区高吸附量低亲和力区域，适合应用于工业高浓度含磷废水的处理；C区低吸附量低亲和力区域，C区吸附剂性能需要进一步提高才能应用。

具体地，步骤8中，A区、B区、C区三部分划分包括以下步骤：

步骤8-1、寻找亲和力-吸附量象限图中心点，将吸附量的中位数作为亲和力-吸附量象限图中心点的横坐标，亲和力中位数作为亲和力-吸附量象限图中心点的纵坐标；

也就是，本实施例以(37.86，0.1334)为中心点，对所选20种吸附剂性能进行分区。

步骤8-2、如图2所示，以亲和力-吸附量象限图中心点为原点，从垂直横坐标所在方向和纵坐标所在方向进行划线，所画两条垂直线的交点记为E点，E点的横坐标为最大吸附量，E点的纵坐标为最大亲和力，将原点与E点连线，从而将亲和力-吸附量象限图划分为A区高亲和力低吸附量区域、B区高吸附量低亲和力区域以及C区低吸附量低亲和力区域三部分。

步骤9、选取所需的吸附剂：根据当前工况所需，在步骤8中划分的A区、B区、C区三部分中选取对应区域中的吸附剂，作为当前工况所需吸附剂。

实施例2

本实施例提供一种优选实施方案，如图3和图4所示，一种综合评价吸附材料吸附性能的方法，包括以下步骤：

步骤1、确定需要参与评价的吸附剂数量：

设需要参与评价的吸附剂有n种，本实施例中n为21种。

步骤2、计算吸附量与吸附速率：

分别计算n种吸附剂在同一吸附质的不同初始浓度下的最大吸附量与吸附速率；

具体地，以【Effective and Selective Adsorption of Phosphate fromAqueous Solution via Trivalent-Metals-Based Amino-MIL-101 MOFs】文献为例，所获数据如表3所示：

表3不同初始浓度下的吸附量与吸附速率

步骤3、建立n个初始浓度-吸附速率拟合模型：

将同一吸附质的不同初始浓度与步骤2中计算得到的n种吸附剂在同一吸附质的不同初始浓度下的吸附速率进行拟合，得到n个初始浓度-吸附速率拟合模型；

具体地，步骤3中，拟合模型公式如下：

公式(1)中，V为吸附剂在同一吸附质的不同初始浓度下的吸附速率；C

步骤4、计算每个初始浓度-吸附速率拟合模型的最大吸附速率V

根据步骤3中得到的n个初始浓度-吸附速率拟合模型，得到n个初始浓度-吸附速率拟合模型的最大吸附速率V

具体地，n种吸附剂中其中一种吸附剂的最大吸附速率V

步骤5、计算n个初始浓度-吸附速率拟合模型的半最大吸附速率V

根据步骤4中得到的n个初始浓度-吸附速率拟合模型的最大吸附速率V

进一步地，步骤5中，半最大吸附速率V

具体地，n种吸附剂中其中一种吸附剂的半最大吸附速率V

步骤6、计算n种吸附剂对应的亲和力tanα：

根据步骤4中得到的n个达到最大吸附速率一半时所对应的初始浓度K

表4不同吸附剂的吸附量与亲和力及相关拟合参数

具体地，步骤6中，亲和力tanα计算公式如下：

步骤7、绘制亲和力-吸附量象限图：

将步骤2中得到的n种吸附剂在同一吸附质的不同初始浓度下的最大吸附量，与步骤6中得到的n种吸附剂对应的亲和力进行拟合，并绘制亲和力-吸附量象限图；

步骤8、将n种吸附剂划分为A区高亲和力低吸附量区域，适合应用于富营养化自然水体的修复；B区高吸附量低亲和力区域，适合应用于工业高浓度含磷废水的处理；C区低吸附量低亲和力区域，C区吸附剂性能需要进一步提高才能应用。

具体地，步骤8中，A区、B区、C区三部分划分包括以下步骤：

步骤8-1、寻找亲和力-吸附量象限图中心点，将吸附量的中位数作为亲和力-吸附量象限图中心点的横坐标，亲和力中位数作为亲和力-吸附量象限图中心点的纵坐标；

也就是，本实施例以(35.09，0.058345986)为中心点，对所选20种吸附剂性能进行分区。

步骤8-2、如图4所示，以亲和力-吸附量象限图中心点为原点，从垂直横坐标所在方向和纵坐标所在方向进行划线，所画两条垂直线的交点记为E点，E点的横坐标为最大吸附量，E点的纵坐标为最大亲和力，将原点与E点连线，从而将亲和力-吸附量象限图划分为A区高亲和力低吸附量区域、B区高吸附量低亲和力区域以及C区低吸附量低亲和力区域三部分。

步骤9、选取所需的吸附剂：根据当前工况所需，在步骤8中划分的A区、B区、C区三部分中选取对应区域中的吸附剂，作为当前工况所需吸附剂。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。