1、活性炭吸附實(shí)驗(yàn)1 .實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)用亞甲基藍(lán)(C16H18C1N3S代替工業(yè)廢水中有機(jī)污染物，采用活性炭吸附法，探究活性炭投放量、吸附時(shí)間等因素對(duì)活性炭吸附性的影響，探究活性炭處理有機(jī)污染水體時(shí)的最優(yōu)工藝參數(shù)。2 .實(shí)驗(yàn)原理2.1 活性炭特性活性炭是水處理吸附法中廣泛應(yīng)用的吸附劑之一，有粒狀和粉狀兩種。其中粉末活性炭應(yīng)用于水處理在國(guó)內(nèi)外已有較長(zhǎng)的歷史?；钚蕴渴且环N暗黑色含炭物質(zhì)，具有發(fā)達(dá)的微孔構(gòu)造和巨大的比表面積。它化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿，具有良好吸附性能，是多孔的疏水性吸附劑?；钚蕴孔畛跤糜谥铺菢I(yè)，后來(lái)廣泛用于去除受污染水中的有機(jī)物和某些無(wú)機(jī)物。它幾乎可以用含有碳的任何物質(zhì)做原材料來(lái)制造

2、，活性炭在制造過(guò)程中，其揮發(fā)性有機(jī)物被去除，晶格間生成空隙，形成許多形狀各異的細(xì)孔。其孔隙占活性炭總體積的70%80%,每克活性炭的表面積可高達(dá)5001700平方米，但99.9%都在多孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)部?；钚蕴康臉O大吸附能力即在于它具有這樣大的吸附面積1,2。2.2 活性炭吸附特征活性炭的孔隙大小分布很寬，從10-1nm到104nm以上，一般按孔徑大小分為微孔、過(guò)渡孔和大孔。在吸附過(guò)程中，真正決定活性炭吸附能力的是微孔結(jié)構(gòu)。活性炭的全部比表面幾乎都是微孔構(gòu)成的，粗孔和過(guò)渡孔只起著吸附通道作用，但它們的存在和分布在相當(dāng)程度上影響了吸附和脫附速率。研究表明，活性炭吸附同時(shí)存在著物理吸附、化學(xué)吸附和離子交

3、換吸附。在活性炭吸附法水處理過(guò)程中，利用3種吸附的綜合作用達(dá)到去除污染物的目的。對(duì)于不同的吸附物質(zhì),3種吸附所起的作用不同。(1)物理吸附分子力產(chǎn)生的吸附稱為物理吸附，它的特點(diǎn)是被吸附的分子不是附著在吸附劑表面固定點(diǎn)上，而稍能在界面上作自由移動(dòng)。物理吸附可以形成單分子層吸附，又可形成多分子層吸附。由于分子力的普遍存在，一種吸附劑可以吸附多種物質(zhì)，但由于吸附物質(zhì)不同，吸附量也有所差別。這種吸附現(xiàn)象與吸附劑的表面積、細(xì)孔分布有著密切關(guān)系，也和吸附劑表面力有關(guān)。(2)化學(xué)吸附活性炭在制造過(guò)程中炭表面能生成一些官能團(tuán)，如梭基、輕基、淡基等，所以活性炭也能進(jìn)行化學(xué)吸附。吸附劑和吸附質(zhì)之間靠化學(xué)鍵的作用，

4、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使吸附劑與吸附質(zhì)之間牢固地聯(lián)系在一起。一種吸附劑只能對(duì)某種或特定幾種物質(zhì)有吸附作用，因此化學(xué)吸附只能是單分子層吸附，吸附是較穩(wěn)定的，不易解吸?；钚蕴吭谥圃爝^(guò)程中，由于制造工藝不一樣，活性炭表面若有堿性氧化物則以吸附溶液中的酸性物質(zhì)，若活性炭表面有酸性氧化物則以吸附溶液中的堿性物質(zhì)。(3)離子交換吸附一種物質(zhì)的離子由于靜電引力聚集在吸附劑表面的帶電點(diǎn)上，在吸附過(guò)程中，伴隨著等量離子的交換口。離子的電荷是交換吸附的決定因素。被吸附的物質(zhì)往往發(fā)生了化學(xué)變化，改變了原來(lái)被吸附物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。這種吸附也是不可逆的，因此仍屬于化學(xué)吸附，活性炭經(jīng)再生也很難恢復(fù)到原來(lái)的性質(zhì)3o2.3 活性炭在水

5、處理中的運(yùn)用用活性炭吸附法處理污水或廢水就是利用其多孔性固體表面，吸附去除污水或廢水中的有機(jī)物或有毒物質(zhì)，使之得到凈化。研究表明，活性炭對(duì)分子量500-1000范圍內(nèi)的有機(jī)物具有較強(qiáng)的吸附能力?；钚蕴繉?duì)有機(jī)物的吸附受其孔徑分布和有機(jī)物特性的影響，主要是受有機(jī)物的極性和分子大小的影響。同樣大小的有機(jī)物，溶解度越大、親水性越強(qiáng)，活性炭對(duì)它的吸附性越差，反之，對(duì)溶解度小，親水性差、極性弱的有機(jī)物如苯類化合物、酚類化合物等具有較強(qiáng)的吸附能力4活性炭水處理的主要影響因素有：活性炭的性質(zhì)、吸附質(zhì)性質(zhì)、吸附質(zhì)的濃度、溶液pH、溶液溫度、多組分吸附質(zhì)共存和吸附操作條件等5.3 .儀器與藥品儀器可見分光光度計(jì)恒

6、溫?fù)u床藥品亞甲基藍(lán)、粉末活性炭(PAC)、不定型顆?；钚蕴?GAC)4 .實(shí)驗(yàn)操作4.1 亞甲基藍(lán)標(biāo)線繪制1、 配制100mg/L的亞甲基藍(lán)溶液：量取10ml1000亞甲基藍(lán)母液于100ml容量瓶，用蒸儲(chǔ)水稀釋至標(biāo)線。2、 用移液管分別移取亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液0.5、1、1.5、2、2.5ml于50ml比色管中，用蒸儲(chǔ)水稀釋至刻度線處，搖勻，以水為參比，在波長(zhǎng)664nm處，用1cm比色皿測(cè)定吸光度，繪出標(biāo)準(zhǔn)曲線。4.2 吸附實(shí)驗(yàn)4.2.1 粉末炭與顆粒炭吸附效果比較分別稱取0.01、0.02、0.04、0.08、0.l2gPAC或0.5、1、2、4、8gGAC力口入到100mL濃度為20mg/L的

7、亞甲基藍(lán)溶液中，放入恒溫振蕩器中振蕩，設(shè)置轉(zhuǎn)速為200r/min,溫度30C,反應(yīng)30min,取上清液測(cè)定剩余溶液的吸光度，考察活性炭投加量對(duì)亞甲基藍(lán)去除率的影響。4.2.2 活性炭吸附過(guò)程類型確定分別稱取0.01、0.02、0.03、0.04、0.05gPAC或0.5、1、2、4、6gGAC力口入到100mL濃度為20mg/L的亞甲基藍(lán)溶液中，放入恒溫振蕩器中振蕩，設(shè)置轉(zhuǎn)速為200r/min,溫度30C,反應(yīng)30min,取上清液測(cè)定剩余溶液的吸光度。根據(jù)吸附前后亞甲基藍(lán)濃度差、溶液體積和吸附劑用量計(jì)算活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附容量(qe)。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別做Langmuir吸附方程和Freundl

8、ich吸附方程擬合。4.2.3穿透曲線從吸附柱(20cm30cm)上口流進(jìn)40mg/L的亞甲基藍(lán)溶液，從吸附柱出口接樣調(diào)節(jié)其流量為8ml/min,一定時(shí)間問隔后接樣，分析其濃度。直到出口濃度為初始濃度的90班止，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。5 .結(jié)果與討論5.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線不同濃度亞甲基藍(lán)標(biāo)液對(duì)應(yīng)吸光度如表1所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，繪制Abs-濃度曲線，如圖1。表1,不同濃度亞甲基藍(lán)對(duì)應(yīng)吸光度數(shù)據(jù)表濃度mg/l012345Abs-0.0030.1650.3730.5910.810.998圖1,亞甲基藍(lán)吸收標(biāo)準(zhǔn)曲線標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)R=0.999,說(shuō)明在664nm處，亞甲基藍(lán)濃度在0-5mg/l與吸光度有較好的線性關(guān)系。

9、吸收曲線方程為y=0.2045x-0.0193。5.2 不同活性炭去除效果比較a-0OOS0.1ais圖2,a為粉末活性炭添加量對(duì)20mg/l亞甲基藍(lán)去除效果，b為顆?；钚蕴刻砑恿繉?duì)20mg/l亞甲基藍(lán)去除效果由圖1可以看出，無(wú)論是顆粒炭還是粉末炭，在一定范圍內(nèi)，隨投加量增加，對(duì)亞甲基藍(lán)去除率都是先快速上升，后上升趨勢(shì)減緩；對(duì)于20mg/l亞甲基藍(lán)廢水處理，粉末活性炭最佳投加量為0.08g,顆?；钚蕴孔罴淹都恿繛?g,去除效果能達(dá)到95犯上；顯然，粉末活性炭去除效率遠(yuǎn)高于顆?；钚蕴?，這是因?yàn)榉勰┨勘缺砻娣e遠(yuǎn)大于顆粒炭，而吸附現(xiàn)象發(fā)生在吸附劑表面上，所以吸附劑的比表面積是影響吸附的重要因素之一，

10、比表面積越大，吸附性能越好。5.3 吸附過(guò)程類型確定5.3.1 粉末活性炭單分子吸附的Langmuir方程為：q=kpqm/(1+kp)(1)方程兩邊取倒數(shù)得，1/q=1/(kqm)*1/p+1/q42)式2兩邊同時(shí)乘以p得，p/q=p/qm+1/kqm(3)由式3知，p/q和p呈直線關(guān)系，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理為：表2P/(mg/l)14.206369.7535455.7129583.395111.972127p/qmg(C)/l245.2059190.3789119.96181.7857954.69661根據(jù)表2數(shù)據(jù)作p/q-p圖，其相關(guān)系數(shù)為0.997,如圖3Freundlich吸附方程為：q=

11、kp1/n(4)式4兩邊取對(duì)數(shù)得：Inq=1/nInp+Ink(5)由式5知，Inq和Inp呈直線關(guān)系，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理為:表3Inp0.6791131.2223361.7427372.2776312.65369Inq-3.32269-3.18177-3.04443-2.97139-2.84841作Inq-Inp圖，其相關(guān)系數(shù)為0.995,如圖4圖4,粉末炭Inq-Inp由以上計(jì)算可知，采用Langmuir方程擬合的線性相關(guān)性與Freundlich吸附方程相近，所以可以確定粉末炭對(duì)亞甲基藍(lán)吸附過(guò)程即符合Langmuir型又符合qm=0.0353mg/mg(C);Freundlich型。由p/q-

12、p直線可計(jì)算出粉末炭飽和吸附量由直線斜率1/(kqm)=15.702,求得k=1.80.5.3.2 顆?；钚蕴窟\(yùn)用與5.3.1相同的原理和方法，分別作顆粒炭的p/q-p直線（圖5）和Inq-Inp直線（圖6）。mooooJ5000；OOOQ150001DOOO5000y-1468k+3741.8RJ=U994510圖5,顆粒炭的p/q-p直線圖6,顆粒炭Inq-Inp結(jié)合圖5、6,顆粒炭Langmuir方程擬合的線性相關(guān)性遠(yuǎn)好于Freundlich吸附方程，可以確定顆粒炭對(duì)亞甲基藍(lán)吸附過(guò)程即符合Langmuir型，飽和吸附量qm=2.7X10-4,k=2.52。5.4 吸附柱實(shí)驗(yàn)初始濃度為40

13、mg/l,進(jìn)料流速為8ml/min,在不同填料高度下測(cè)定活性炭柱對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附性能，穿透曲線如圖7.吸附柱高度分別為21cm和29cm出水濃度達(dá)到進(jìn)水濃度90慚需時(shí)間分別為215min和275min,隨著吸附柱高度增加，提高了活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量，吸附終點(diǎn)推遲。不同吸附柱的穿透曲線相似，這是因?yàn)槲狡胶夂蛡髻|(zhì)擴(kuò)散速率不隨吸附柱高度的變化而變化6至于個(gè)別數(shù)據(jù)較異常，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用活性炭顆粒較大，吸附柱難以填充密實(shí)，會(huì)存在相對(duì)較大的空隙，部分溶液直接通過(guò)這些空隙而減少與活性炭接觸的時(shí)間,所以出水濃度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。050100200250300C/mln圖7不同床高時(shí)的穿透曲線6 .思考題1.用間歇法處理5噸50mg/l廢水，去除率90%求需活性炭質(zhì)量。粉末炭飽和吸附量qm=0.0353mg/mg(C),固有：活性炭質(zhì)量M=5X50X0.9+0.0353=6.37kg引用1沈淵瑋，陸善忠.活性炭在水處理中的應(yīng)用J.工業(yè)水處理,2007,04:13-16.2王丁明，曹國(guó)憑，賈云飛，劉鵬程.活性炭吸附技術(shù)