等温线和热力学研究：Parinari macrophylla废弃物中活性炭对[A(CN)2]?和[Au(S2O3)2]3?离子的吸附行为

《Journal of the Indian Chemical Society》：Isotherms and thermodynamics study for adsorption of [A(CN)2]?and [Au(S2O3)2]3?ions on activated carbon from Parinari macrophylla waste

　　

马佐·西拉吉 D. B|哈利杜·I. 希玛|易卜拉欣·纳塔图|文森特·杜布瓦

材料、水与环境实验室，阿卜杜·穆穆尼大学科学与技术学院，尼日尔尼亚美 10662

摘要

本文研究了金氰化物复合物（[Au(CN)₂]^?）和金硫代硫酸盐复合物（[Au(S₂O₃)₂]^3?）在活性炭上的吸附等温线和热力学特性。所使用的活性炭是通过Parinari macrophylla壳的物理活化（在 N₂ 或 CO₂ 下）制备的，从而得到了两种类型的活性炭（AC）。样品通过 77 K 下的 N₂ 吸附、Boehm 滴定以及傅里叶变换红外光谱分析进行了表征，并测定了碘指数和亚甲蓝指数。在吸附实验（2 g AC/L 溶液，10 mg/L Au）后，研究了 Langmuir 和 Freundlich 等温线。热力学研究过程中，温度范围为 25°C 至 70°C。结果表明，在 N₂ 下热处理的样品比在 CO₂ 下热处理的样品具有更高的比表面积（S_BET 分别为 596 m²/g 和 1167 m²/g），孔体积分别为 0.261 cm³/g 和 0.582 cm³/g。样品的表面功能呈碱性，碘指数和亚甲蓝指数表明其在水相中具有良好的吸附能力。吸附位点的能量分布不均匀，导致在吸附剂表面形成了多层吸附物（符合 Freundlich 模型）。此外，[Au(CN)₂]^? 在活性炭上的吸附是放热的（ΔH° < 0），自发的且热力学上有利（ΔG° < 0），同时伴随着无序度的降低（ΔS° < 0）；而 [Au(S₂O₃)₂]^3? 的吸附则是吸热的（ΔH° > 0），自发的且热力学上有利（ΔG° < 0），同时伴随着无序度的增加（ΔS° > 0）。

引言

在大多数情况下，黄金冶金过程包括将黄金从溶液中溶解并提取出来，随后对金属进行精炼 [1]。可用于溶解黄金的溶液有多种类型，例如王水可得到 [AuCl₄]^? [1], [2], [3], [4]；硫脲可得到 [Au(NH₂CSNH₂)^{2]+ [1], [2], [5], [6], [7], [8], [9]；硫代硫酸盐可得到 [Au(S₂O₃)₂]3? [1,2,10,11]；氰化物可得到 [Au(CN)₂]? [1], [2], [12], [13], [14], [15]；卤素可得到 [AuI₂]?, [AuCl₄]? 或 [AuBr₄]? [1], [2]。然而，在工业环境中，选择用于此步骤的浸出溶液时，溶液本身并非唯一的决定因素。从科学角度来看，浸出溶液应对黄金具有选择性，且形成的复合物必须稳定，同时还要便于后续操作：从浸出液中提取黄金并进行精炼。黄金可以通过液-液萃取（使用各种萃取剂和溶剂 [1], [2], [16]）、固-液萃取（使用各种固体材料 [1], [2]）或通过锌粉沉淀（Merril-Crowe 工艺 [1], [2]）从含金溶液中提取。}

在所有这些浸出剂和工艺中，工业上最常用的方法是先将矿石溶解在氰化物中，然后通过沉淀或吸附在活性炭上来提取黄金。随后再对黄金进行重新提取和精炼。鉴于氰化物离子的毒性，一些矿山现在使用硫代硫酸盐溶液来减少对环境的影响 [2]。

此外，使用固体进行提取取决于固体与待提取物质之间的相互作用类型。实际上，两种物质之间的相互作用力主要有三种：纯粹的静电作用力（电荷之间的相互作用、离子、永久偶极子、四极子等）、纯粹的熵力（由固体整体行为引起）以及量子力学描述的力（共价键、范德华力、酸碱作用、电荷转移和由泡利不相容原理引起的排斥作用 [17]，Masson [18] 也有相关报道）。

活性炭在吸附过程中的应用得益于其结构和表面特性 [14], [19], [20]。研究表明，活性炭常用于水处理，以去除各种污染物，如染料 [21], [22], [23]、重金属 [24], [25], [26] 和抗生素 [27], [28]。选择活性炭用于黄金提取是基于其机械性能、多孔性 [14], [19], [20]、选择性吸附黄金复合物的能力、低成本 [10], [11], [12], [13], [14], [15], [19], [20]，以及活性炭与吸附后形成的黄金复合物之间的相互作用方式，以及该材料脱附的容易程度。这可以解释为黄金复合物以多层形式吸附在活性炭表面，并且整个过程是自发的。

理论上，吸附过程通过等温线和热力学数学模型进行研究，以确认物质对分子或离子的“隔离”是否确实属于吸附现象，以及这一过程是否在热力学上是有利的。本文研究了两种黄金复合物（氰化物 [Au(CN)₂]^? 和硫代硫酸盐 [Au(S₂O₃)^3?）在活性炭上的吸附过程，其中活性炭是通过物理活化尼日尔农业废弃物Parinari macrophylla壳制备的。

Parinari macrophylla 是一种原产于撒哈拉以南非洲的植物，当地居民广泛将其用于多种用途，包括食品和医药。这种植物的所有部分都被利用，除了果壳，果壳最终会被丢弃到垃圾填埋场。本文探讨了将这种废弃物作为多孔材料进行回收利用，并研究了其在吸附过程中对黄金复合物（[Au(CN)₂]^?, [Au(S₂O₃)^3?）与活性炭之间相互作用能量的量化。

章节片段

所使用的活性炭样品

活性炭是通过在氮气和二氧化碳气流下对Parinari macrophylla壳进行物理活化制备的。表 1 显示了制备条件，其中加热速率为 5°C/min，信息来源于 Siragi 等人的研究 [29]。活化前，收集的生物质在阳光下晾干，然后使用破碎机粉碎，再通过筛分获得合适的粒径。

样品表征

活性炭样品采用 N₂ 吸附方法进行了表征

制备的活性炭的特性

从Parinari macrophylla果壳制备的活性炭的特性见表 2。

孔隙特性和比表面积的数据（来自图 1）表明，处理后的活性炭样品具有较高的比表面积和孔隙体积，其中微孔率在比表面积上超过 70%，在孔隙体积上超过 55%，平均孔径分别为 17 ?（N₂ 下热处理的样品）和 20 ?（

结论

通过氮气和二氧化碳流对Parinari macrophylla果壳进行物理活化后，得到了比表面积较高的活性炭（PM-N₂ -900 °C 为 596 m²/g，PM-CO₂ -900 °C 为 1167 m²/g），表面微孔率超过 70%，体积微孔率超过 55%，表面功能呈强碱性，在水相中具有良好的吸附能力（根据碘指数和亚甲蓝指数）。

对金属复合物 ([Au(CN)₂]^? 和 [Au(S₂O₃)^3?）在活性炭上的吸附等温线进行了研究

? 作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：SIRAGI D. B. 表示获得了研究和高等教育学院的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

CRediT 作者贡献声明

马佐·西拉吉 D. B：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学设计，数据整理，概念构建。易卜拉欣·纳塔图：验证，监督，项目管理。哈利杜·I. 希玛：撰写 – 审稿与编辑。文森特·杜布瓦：验证，资源提供。

利益冲突声明

作者声明与本文的发表没有利益冲突。

致谢

特别感谢鲁汶天主教大学生物工程系与凝聚态与纳米科学研究所的 Eric Gaigneaux 教授和 Fran?ois Devred 在红外分析方面提供的帮助。作者还要感谢 Moussa Baragé、Philippe Donnen、Pierre Martinot 和 Julie Sepulchre 在比利时组织的ARES 支持和培训项目。