1、1 實驗?zāi)康?1) 通過實驗進一步了解活性炭的吸附工藝及性能； (2) 熟悉整個實驗過程的操作； (3) 掌握用“間歇法”、“連續(xù)流”法確定活性炭處理污水的設(shè)計參數(shù)的方法； (4) 學(xué)會使用一級動力學(xué)、二級動力學(xué)方程擬合分析，對 PAC 的吸附進行動力學(xué)分析研究；(5) 了解活性炭改性的方法以及其影響因素。2 實驗原理2.1 活性炭間隙性吸附實驗原理活性炭吸附就是利用活性炭的固體表面對水中一種或多種物質(zhì)的吸附作用，己達(dá)到凈化水質(zhì)的目的?；钚蕴康奈阶饔卯a(chǎn)生于兩個方面，一是由于活性炭內(nèi)部分子在各個方向都受到同等大小的力而在表面的分子則受到不平衡的力，這就使其他分子吸附于其表面上，此為物理吸附；另

2、一個是由于活性炭與被吸附物質(zhì)之間的化學(xué)作用，此為化學(xué)吸附?；钚蕴康奈绞巧鲜鰞煞N吸附綜合的結(jié)果。當(dāng)活性炭在溶液中的吸附速度和解吸速度相等時， 即單位時間內(nèi)的活性炭的數(shù)量等于解吸的數(shù)量時，此時被吸附物質(zhì)在溶液中的濃度和在活性炭表面的濃度均不在變化，而達(dá)到平衡，此時的動平衡稱為活性炭吸附平衡而此時被吸附物質(zhì)在溶液中的濃度稱為平衡濃度?；钚蕴康奈侥芰σ晕搅縬表示。q=V(C0-C)M=XM式中：q 活性炭吸附量，即單位重量的吸附劑所吸附的物質(zhì)量，g/g；V 污水體積，L；C0、C 分別為吸附前原水及吸附平衡時污水中的物質(zhì)濃度，g/L；X 被吸附物質(zhì)重量，g；M 活性炭投加量，g。在溫度一定的條件

3、下，活性炭的吸附量隨被吸附物質(zhì)平衡濃度的提高而提高，兩者之間的變化稱為吸附等溫線，通常費用蘭德里希經(jīng)驗公式加以表達(dá)。q=K·C1n式中：q 活性炭吸附量，g/g ；C 被吸附物質(zhì)平衡濃度g/L；K、n 溶液的濃度，pH值以及吸附劑和被吸附物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。K、n值求法如下：通過間歇式活性炭吸附實驗測得q、C相應(yīng)之值，將式取對數(shù)后變換為下式：lgq=lgK+1nlgC將q、C相應(yīng)值點繪在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上，所得直線的斜率為1/n，截距則為K。此外，還有朗繆爾吸附等溫式，它通常用來描述物質(zhì)在均一表面上的單層吸附，表達(dá)式為：1q=1qmK·1C+1qm由于間歇式靜態(tài)吸附法處理能力

4、低、設(shè)備多，故在工程中多采用連續(xù)流活性炭吸附法，即活性炭動態(tài)吸附法。采用連續(xù)流方式的活性炭層吸附性能可用勃哈特和亞當(dāng)斯所提出的關(guān)系式來表達(dá)。lnC0C-1=lnexpKN0DV-1-KC0tt=N0C0VD-1C0KlnC0CB式中：t 工作時間，h；V 流速，m/h ； D 活性炭層厚度，m；K 速度常數(shù)，L/mg·h ；N0 吸附容量、即達(dá)到飽和時被吸附物質(zhì)的吸附量，mg/L；C0 進水中被吸附物質(zhì)濃度，mg/L；CB 允許出水溶質(zhì)濃度，mg/L。當(dāng)工作時間 t = 0，能使出水溶質(zhì)小于 CB 的碳層理論深度稱為活性炭的臨界深度，其值由上式 t = 0推出。D0=VKN0lnC0

5、CB-1碳柱的吸附容量（N0）和速度常數(shù)（K），可通過連續(xù)流活性炭吸附試驗并利用公式 t D 線性關(guān)系回歸或作圖法求出。2.2 活性炭吸附動力學(xué)實驗原理動力學(xué)研究各種因素對化學(xué)反應(yīng)速率影響的規(guī)律，研究化學(xué)反應(yīng)過程經(jīng)歷的具體步驟，即所謂反應(yīng)機理。它探索將熱力學(xué)計算得到的可能性變?yōu)楝F(xiàn)實性，將實驗測定的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)宏觀量間的關(guān)系通過經(jīng)驗公式關(guān)聯(lián)起來。固體吸附劑對溶液中溶質(zhì)的吸附動力學(xué)過程可用準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級、韋伯-莫里斯(Weber and Morris)內(nèi)擴散模型和班厄姆(B angham)孔隙擴散模型來進行描述。（1）基于固體吸附量的拉格爾格倫(Lagergren)準(zhǔn)一級速率方程是最為常見的，應(yīng)用

6、于液相的吸附動力學(xué)方程，模型公式如下：qt=qe1-exp-Kt或lnqe-qt=lnqe-Kt式中：qe 平衡吸附量，mg/g；qt 時間為t時的吸附量，mg/g；K 一次方程吸附速率常數(shù)，min-1。以log(qe-qt)對t作圖，如果能得到一條直線，說明其吸附機理符合準(zhǔn)一級動力學(xué)模型。（2）準(zhǔn)二級速率方程是基于假定吸附速率受化學(xué)吸附機理的控制，這種化學(xué)吸附涉及到吸附劑與吸附質(zhì)之間的電子共用或電子轉(zhuǎn)移，其公式為：tqt=1Ksqe2+1qet式中Ks為二級吸附速率常數(shù)以t/qt對t作圖，如果能得到一條直線，說明其吸附機理符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型。（3）韋伯-莫里斯模型常用來分析反應(yīng)中的控制步驟

7、，求出吸附劑的顆粒內(nèi)擴散速率常數(shù)。其公式為：qt=Kipt12+C式中，C是涉及到厚度、邊界層的常數(shù)。Kip是內(nèi)擴散率常數(shù)。qt對t1/2作圖是直線且經(jīng)過原點，說明內(nèi)擴散由單一速率控制。（4）班厄姆方程常被用來描述在吸附過程中的孔道擴散機理，方程盡管是以經(jīng)驗式提出，但可認(rèn)為是與Freundlich等溫吸附方程對應(yīng)的動力學(xué)方程，這可從理論上導(dǎo)出。其公式為：lglgC0'C0'-q'm'=lgk0m'2.303V+lgt 當(dāng)線性擬合得到較好直線，擬合系數(shù)R2大于0.99時表示此孔道擴散模型能較好的表示實際吸附情況。（5）此外，葉洛維奇(Elovich)方程也

8、是可用來描述反應(yīng)速率與時間關(guān)系的動力學(xué)方程，其表達(dá)式為：qt=1ln(1+t)2.3 活性炭改性實驗原理普通活性炭比表面積小、孔徑分布不均勻和吸附選擇性能差，故普通活性炭需要進一步的改性，滿足實驗和工程需要?，F(xiàn)在常采用工藝控制和后處理技術(shù)對活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，對表面化學(xué)性質(zhì)進行改性，進而提高其吸附性能。改性方法有表面結(jié)構(gòu)的改性以及表面化學(xué)性質(zhì)的改性兩大類。活性炭表面化學(xué)性質(zhì)的改性又可分為表面氧化法、表面還原法負(fù)載原子和化合物法以及酸堿改性法三種。本次實驗用硝酸對活性炭進行改性，屬于表面氧化法。硝酸在適當(dāng)?shù)臏囟认聦钚蕴坎牧媳砻娴墓倌軋F進行氧化，從而提高材料含氧官能團的含量，增強材料表面的

9、親水性。常用的氧化劑除了硝酸外，還有HClO和H2O2等。3 實驗內(nèi)容3.1 實驗設(shè)備與試劑表3-1 實驗中所用試劑及說明儀器（試劑）數(shù)量振蕩器1 臺500mL 三角燒杯6 個烘箱1 個COD、SS 等測定分析裝置一套玻璃器皿若干濾紙、活性炭若干有機玻璃碳柱d=2030mm；H=1.0m配水及投配系統(tǒng)/硫酸亞鐵銨現(xiàn)配催化劑硫酸-硫酸銀重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液亞鐵靈指示劑實驗室配備3.2 實驗裝置實驗裝置如圖3-1和圖3-2所示。圖3-1 間歇式活性炭吸附裝置圖3-2 連續(xù)式活性炭吸附試驗裝置3.3 實驗步驟3.3.1 活性炭間隙吸附實驗(1) 將某污水用濾布過濾，去除水中懸浮物或自配污水，測定該污水的

10、COD、SS等值。(2) 將活性炭放在蒸餾水中浸24h，然后放在105 烘箱中烘至恒重，再將烘干后的活性炭壓碎，使其成為能通過200目一下篩孔的粉狀炭。因為粒狀活性炭要達(dá)到吸附平衡耗時太長，往往需要數(shù)日或數(shù)周，為了使實驗?zāi)茉诙虝r間內(nèi)結(jié)束，應(yīng)多用粉狀炭。(3) 在6個500 mI的三角瓶中分別投加0mg、100mg、200mg、300mg、400mg、500mg粉狀活性炭。(4) 在每個三角瓶中投加同體積的過濾后的污水，使每個燒瓶中的COD濃度與活性炭濃度的比值在0.055.0之間。(5) 測定水溫，將三角瓶放在振蕩器上振蕩，當(dāng)達(dá)到吸附平衡(時間延至濾出液的有機物濃度COD值不再改變)時即可停止

11、振蕩。(時間一般為30min以上)。(6) 過濾各三角瓶中的污水，測定其剩余COD值，求出吸附量q。3.3.2 活性炭吸附動力學(xué)實驗(1) 在6個500mI的錐形瓶中投加500mg粉狀活性炭，再分別加入400mL原水(過濾后)。(2) 分別在 0min、10min、30min、50min、70min、90min 時過濾測定出水COD，并計算吸附量。 3.3.3 活性炭改性實驗 (1) 稱取四組質(zhì)量為 20g 的粉末活性炭，分別放入 200mL 錐形瓶中。 (2) 分別往錐形瓶中添加 100mL 1.2mol/L、3.5 mol/L、7.2 mol/L、13.2 mol/L濃度的硝酸，浸泡粉末活

12、性炭，在常溫下放置 2h，期間不斷晃動，后用砂芯漏斗進行抽洗，直至活性炭 pH 呈中性，在烘箱中烘干，備用。(3) 在 5 個 500ml 的錐形瓶中分別投加經(jīng) 1.2mol/L、3.5 mol/L、7.2 mol/L、13.2 mol/L 濃度的硝酸改性的 500mg 粉狀活性炭、未經(jīng)改性的粉末活性炭，再分別加入 400mL 原水（過濾后）。 (4) 在30min 時測定出水的 COD，并計算吸附量。4 數(shù)據(jù)記錄與整理4.1 活性炭間隙吸附實驗4.1.1 實驗基本數(shù)據(jù)表4-1活性炭間隙吸附實驗基本數(shù)據(jù)水溫：28 水樣體積：400 mL吸附時間：30 min攪拌強度：350 r/min(NH4

13、)2Fe(SO4)2溶液濃度：0.01294 mol/L4.1.2 實驗數(shù)據(jù)記錄表4-2 活性炭間隙吸附實驗數(shù)據(jù)記錄水樣活性炭投加量/mg滴加(NH4)2Fe(SO4)2溶液體積/mLCOD濃度/(mg/L)COD去除量/(mg/L)COD去除率/%吸附量q/(mg/g)蒸餾水/19.90/原水018.0039.340.000.000.00K(100mg)10018.4530.029.3223.6837.27K(200mg)20018.8322.1517.1843.6834.37K(300mg)30019.1515.5323.8160.5331.75K(400mg)40019.4010.352

14、8.9973.6828.99K(500mg)50019.655.1834.1686.8427.334.2 活性炭吸附動力學(xué)實驗4.2.1 實驗基本數(shù)據(jù)表4-3活性炭間隙吸附實驗基本數(shù)據(jù)水溫：30 水樣體積：400 mL活性炭投加量：400 mg攪拌強度：350 r/min(NH4)2Fe(SO4)2溶液濃度：0.01082 mol/L4.2.2 實驗數(shù)據(jù)記錄表4-4 活性炭吸附動力學(xué)實驗數(shù)據(jù)記錄水樣吸附時間t/min滴加(NH4)2Fe(SO4)2溶液體積/mLCOD濃度/(mg/L)COD去除量/(mg/L)COD去除率/%吸附量q/(mg/g)蒸餾水/20.00/原水017.80、17.6

15、038.10、41.56平均 39.830.000.000.00A(10min)1018.47 26.49 13.33 33.48 13.33 A(30min)3018.90 19.05 20.78 52.17 20.78 A(50min)5019.21 13.68 26.15 65.65 26.15 A(70min)7019.32 11.77 28.05 70.43 28.05 A(90min)9019.60 6.93 32.90 82.61 32.90 4.3 活性炭改性實驗4.3.1 實驗基本數(shù)據(jù)表4-3活性炭間隙吸附實驗基本數(shù)據(jù)水溫：31 水樣體積：400 mL活性炭投加量：300 m

16、g攪拌強度：150 r/min吸附時間：30 min(NH4)2Fe(SO4)2溶液濃度：0.01083 mol/L4.3.2 實驗數(shù)據(jù)記錄表4-4 活性炭吸附動力學(xué)實驗數(shù)據(jù)記錄水樣硝酸濃度/(mol/L)滴加(NH4)2Fe(SO4)2溶液體積/mLCOD濃度/(mg/L)COD去除量/(mg/L)COD去除率/%吸附量q/(mg/g)蒸餾水/23.65/原水020.10、20.2561.74、59.13平均 60.430.000.000.00B(未改性)021.3040.8719.5732.3726.09 B(1.2)1.221.1543.4816.9628.0622.61 B(3.5)3

17、.521.5536.5223.9139.5731.88 B(7.2)7.221.3540.0020.4333.8127.25 B(13.2)13.221.3040.8719.5732.3726.09 5 數(shù)據(jù)處理與分析5.1 活性炭間隙吸附實驗5.1.1 活性炭投加量與COD去除率關(guān)系以活性炭投加量為橫坐標(biāo)，出水COD濃度、COD去除率為縱坐標(biāo)，繪制活性炭投加量與COD去除率關(guān)系曲線如圖5-1所示。圖5-1 活性炭投加量與COD去除率關(guān)系曲線由圖5-1可看出，隨著粉末活性炭投加量的增大，水樣中COD的出水濃度逐漸下降，100 mg活性炭對應(yīng)的出水COD濃度為39.34 mg/L，而 500 m

18、g活性炭對應(yīng)的出水COD濃度為5.18 mg/L；與此相對應(yīng)，隨著粉末活性炭投加量的增大，水樣的COD去除率逐漸上升，由100 mg活性炭時的23.68%提升至500 mg活性炭時的86.84%。這說明在實驗條件下，水中有機物的去除效果隨著粉末活性炭投加量的增大而加強。這是因為當(dāng)加入的活性炭量過少時，活性炭僅吸附了少量有機物就都達(dá)到飽和狀態(tài)，在其他條件不變的情況下，逐漸增加活性炭投加量，能明顯增加有機物吸附量。而當(dāng)水中有機物的濃度降低到一定程度時，再增加活性炭投加量，對有機物去除效果的增強作用將不明顯，從圖中后半段曲線斜率所呈的下降趨勢可驗證這一點。本實驗中，當(dāng)活性炭投加量增加到500 mg時

19、，水樣的出水COD濃度已降至5.18 mg/L，COD去除率已高達(dá)86.84%，由此我們可預(yù)見繼續(xù)增大活性炭投加量對本實驗水樣COD去除效果的增強將趨向不明顯。5.1.2 Freundlich方程擬合Freundlich方程常用于活性炭吸附等溫線的擬合，其方程形式為： Freundlich方程為：q=K·C1n為了便于分析，可將該方程變換為：lgq=lgK+1nlgC式中：q 活性炭吸附量，g/g ；C 被吸附物質(zhì)平衡濃度g/L；K、n 溶液的濃度，pH值以及吸附劑和被吸附物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。將q、C相應(yīng)值點繪在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上，所得的直線斜率為1/n，截距為K，由此即可求解出Fre

20、undlich方程。因此，需先計算lgq和lgC的值，結(jié)果如表5-1所示。表5-1 lgq和lgC計算結(jié)果水樣活性炭投加量/mgCOD/(mg/L)吸附量q/(mg/g)lgClgqK(100mg)10030.0237.271.4774211.571325K(200mg)20022.1534.371.3454371.536161K(300mg)30015.5331.751.1911141.501689K(400mg)40010.3528.991.0150231.462181K(500mg)5005.1827.330.7139931.436627根據(jù)上表數(shù)值，用Freundlich方程對實驗數(shù)據(jù)

21、進行擬合。以lgC為橫坐標(biāo)、lgq為縱坐標(biāo)繪制圖像，并作線性擬合如圖5-2所示，相關(guān)擬合數(shù)據(jù)如表5-2所示。圖5-2 Freundlich方程擬合圖像表5-2 Freundlich方程擬合數(shù)據(jù)Equationy = a + b*xAdj. R-Square0.93468ValueStandard ErrorlgqIntercept1.297220.02749lgqSlope0.177930.02332由表5-2數(shù)據(jù)可知，用Freundlich方程對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合的相關(guān)系數(shù)R2為0.93468，比較接近1，可見該方程的擬合效果是比較好的，這說明Freundlich方程能成功地關(guān)聯(lián)實驗數(shù)據(jù)

22、。 擬合直線的斜率為0.17793，截距為1.29722，也即1n=0.17793lgK=1.29722可解得n = 5.62018，K = 3.65911。因此，本實驗活性炭等溫吸附曲線的Freundlich方程為：q=3.65911×C0.177935.1.3 Langmuir方程擬合Langmuir方程基于單分子層吸附，也可用于描述活性炭的等溫吸附曲線，其方程式如下：1q=1qmK·1C+1qm由該式可見，1/q與1/C呈線性關(guān)系，根據(jù)表4-2原始數(shù)據(jù)，對1/q和1/C進行計算，結(jié)果如表5-3所示。 表5-3 1/q和1/C計算結(jié)果水樣活性炭投加量/mgCOD/(mg

23、/L)吸附量q/(mg/g)1/C1/qK(100mg)10030.0237.270.033310.026833K(200mg)20022.1534.370.045140.029096K(300mg)30015.5331.750.06440.0315K(400mg)40010.3528.990.09660.0345K(500mg)5005.1827.330.19320.036591根據(jù)上表數(shù)值，用Langmuir方程對實驗數(shù)據(jù)進行擬合。以1/C為橫坐標(biāo)、1/q為縱坐標(biāo)繪制圖像，并作線性擬合如圖5-3所示，相關(guān)擬合數(shù)據(jù)如表5-4所示。圖5-3 Langmuir方程擬合圖像表5-4 Langmui

24、r方程擬合數(shù)據(jù)Equationy = a + b*xAdj. R-Square0.767ValueStandard Error1/qIntercept0.026880.001541/qSlope0.055770.01483由表5-4數(shù)據(jù)可知，用Langmuir方程對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合的相關(guān)系數(shù)R2僅為0.767，可見該方程的擬合效果較差，用Langmuir方程無法很好地關(guān)聯(lián)實驗數(shù)據(jù)。5.1.4 等溫吸附方程的比較及結(jié)果分析對比兩種等溫吸附方程的擬合，F(xiàn)reundlich方程擬合的相關(guān)系數(shù)R2為0.93468，而Langmuir方程擬合的相關(guān)系數(shù)R2僅為0.767，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Freundlic

25、h方程，說明實驗中活性炭的吸附更符合Freundlich方程?；钚蕴繉OD的等溫吸附曲線用Langmuir方程擬合效果并不理想，其可能原因如下：Langmuir等溫式是在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上建立起來的、用于描述氣-固之間吸附的經(jīng)驗公式，其假設(shè)之一是被吸附的分子之間不存在相互作用，且吸附只限于單分子層吸附。在本實驗中，液相中吸附質(zhì)之間的距離遠(yuǎn)比氣體分子小，且可能存在各種靜電力作用而相互聚集，吸附質(zhì)之間的作用力是不可忽略不計的，因此Langmuir吸附模型對活性炭吸附COD的擬合效果較差。Langmuir吸附模型是由理論推導(dǎo)而來，對于單一吸附質(zhì)的擬合效果較好，但本實驗所用水樣并非是單一溶液或是由少數(shù)

26、物質(zhì)混合而成的簡單混合液，而是包含多種復(fù)雜環(huán)境化合物的河道水，這些化合物會在吸附過程中抑制或促進目標(biāo)吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附，因此會影響Langmuir模型的擬合效果。5.2 活性炭吸附動力學(xué)實驗5.2.1 吸附時間與COD去除率關(guān)系以吸附時間為橫坐標(biāo)，出水COD濃度、COD去除率為縱坐標(biāo)，繪制吸附時間與COD去除率關(guān)系曲線如圖5-4所示。圖5-4 吸附時間與COD去除率關(guān)系曲線由上圖可以觀察到，COD的出水濃度隨吸附時間的延長而顯著下降，最低可達(dá)到6.93 mg/L，而活性炭對COD的去除率也隨吸附時間的增長而顯著增加，最高可達(dá)到82.61%。另外，由該圖COD去除率曲線趨勢可以看出

27、，實驗吸附后期曲線仍未平緩，說明在吸附時間7090 min間COD去除率隨吸附時間的增長效應(yīng)仍很明顯，即粉末活性炭吸附平衡時間應(yīng)在90 min之后。5.2.2 顆粒內(nèi)擴散模型擬合顆粒內(nèi)擴散模型是吸附動力學(xué)常用的擬合模型之一，根據(jù)擬合結(jié)果可判斷吸附劑吸附的類型。其方程式如下：qt=Kpt0.5+C根據(jù)表4-4數(shù)值，作出吸附時間t和吸附量qt的散點圖，并作方程擬合如圖5-5所示，相關(guān)擬合數(shù)據(jù)如表5-6所示。圖5-5 顆粒內(nèi)擴散模型擬合圖像表5-6 顆粒內(nèi)擴散模型擬合數(shù)據(jù)Equationy =K*x0.5+CAdj. R-Square0.98622ValueStandard Er

28、rorBK3.367840.17777BC1.362311.1475由表5-6數(shù)據(jù)，顆粒內(nèi)擴散模型擬合的相關(guān)系數(shù)為R2 = 0.98622，非常接近1，該模型對實驗數(shù)據(jù)的擬合效果較好，說明活性炭對水樣中COD的吸附以孔內(nèi)擴散過程為控制吸附速率的主要因素，這與液相吸附的特點相符合。5.2.3 準(zhǔn)一級反應(yīng)動力學(xué)方程擬合準(zhǔn)一級反應(yīng)動力學(xué)方程是吸附動力學(xué)擬合的常用方程之一，其表達(dá)式如下：qt=qe1-exp-Kt或lnqe-qt=lnqe-Kt式中：qe 平衡吸附量，mg/g ；qt 時間為t時的吸附量，mg/g ；K 一次方程吸附速率常數(shù)，min-1。在運用準(zhǔn)一級反應(yīng)動力學(xué)方程進行擬合時，一般有非線

29、性和線性擬合兩種方法。非線性擬合對應(yīng)第一個表達(dá)式，它是直接對qt、t數(shù)據(jù)進行擬合，根據(jù)擬合結(jié)果可求得平衡吸附量qe和速率常數(shù)K。線性擬合對應(yīng)第二個表達(dá)式，它是假定實驗吸附后期已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，即qe取吸附后期的實驗數(shù)據(jù)qt，然后對ln(qeqt)與t 進行線性擬合，從而求出速率常數(shù)K。一般而言，前一種方法求解的結(jié)果遠(yuǎn)比后者準(zhǔn)確，因為根據(jù)實驗結(jié)果是無法準(zhǔn)確預(yù)知平衡吸附量qe的，且在實驗中活性炭吸附真正達(dá)到平衡需要較長時間，而在實驗中實際的吸附時間往往是達(dá)不到平衡時間的，因此若先假定qe為吸附后期的吸附量qt將存在較大的誤差。由對吸附時間與COD去除率關(guān)系曲線（圖5-4）可知本實驗在吸附

30、時間達(dá)到90 min時仍未達(dá)到吸附平衡，因此采用非線性擬合法對實驗數(shù)據(jù)進行擬合。根據(jù)表4-4數(shù)值，作出吸附時間t和吸附量qt的散點圖，并作方程非線性擬合如圖5-6所示，相關(guān)擬合數(shù)據(jù)如表5-7所示。圖5-6 準(zhǔn)一級反應(yīng)動力學(xué)方程擬合圖像表5-7 準(zhǔn)一級反應(yīng)動力學(xué)方程擬合數(shù)據(jù)Equationy = a*(1 - exp(-b*x)Adj. R-Square0.96699ValueStandard Errorqta31.372042.16276qtb0.040520.00895由表5-7數(shù)據(jù)可知，用準(zhǔn)一級動力學(xué)方程對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合的相關(guān)系數(shù)R2為0.96699，比較接近1，因此可認(rèn)為該方程的

31、擬合效果是比較好的。由表中數(shù)據(jù)可算出準(zhǔn)一級反應(yīng)動力學(xué)擬合方程為：qt=31.37204×1-exp-0.04052t其中qe=31.37204 mg/g31.37 mg/gK=0.04052min-15.2.4 準(zhǔn)二級反應(yīng)動力學(xué)方程擬合準(zhǔn)二級反應(yīng)動力學(xué)方程也是吸附動力學(xué)擬合常用的模型之一，其建立在化學(xué)反應(yīng)或通過電子共享、得失的化學(xué)吸附的基礎(chǔ)上，其包含了吸附的所有過程，如外部液膜擴散、表面吸附和顆粒內(nèi)擴散等。其方程表達(dá)式為：tqt=1Kqe2+1qet式中：qe 平衡吸附量，mg/g；K 二次方程吸附速率常數(shù)，min-1。根據(jù)準(zhǔn)二級反應(yīng)動力學(xué)方程，以t/qt對t作圖，如果能得到一條直線

32、，說明其吸附機理符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型。因此，需先對t/qt 進行計算，計算結(jié)果如表5-8所示。表5-8 t/qt計算結(jié)果水樣吸附時間t/min吸附量q/(mg/g)t/qtA(10min)1013.33 0.75 A(30min)3020.78 1.44 A(50min)5026.15 1.91 A(70min)7028.05 2.50 A(90min)9032.90 2.74 根據(jù)上表數(shù)值，以吸附時間t為橫坐標(biāo)、t/qt為縱坐標(biāo)繪制圖像，并作線性擬合如圖5-7所示，相關(guān)擬合數(shù)據(jù)如表5-9所示。圖5-7準(zhǔn)二級反應(yīng)動力學(xué)方程擬合圖像表5-9 準(zhǔn)二級反應(yīng)動力學(xué)方程擬合數(shù)據(jù)Equationy = a

33、 + b*xAdj. R-Square0.97138ValueStandard Errort/qtIntercept0.611710.12336t/qtSlope0.025110.00215由表5-9可知，準(zhǔn)二級反應(yīng)動力學(xué)線性擬合的相關(guān)系數(shù)R2為0.97138，比較接近1，因此可認(rèn)為該方程的擬合效果也是比較好的。由表中數(shù)據(jù)可算出準(zhǔn)二級反應(yīng)動力學(xué)擬合方程為：tqt=0.61171+0.02511t此外還可求得qe=39.82 mg/gK=0.001031min-15.2.5 反應(yīng)動力學(xué)方程的比較及結(jié)果分析對比兩種反應(yīng)動力學(xué)方程的擬合，準(zhǔn)一級反應(yīng)動力學(xué)方程擬合的相關(guān)系數(shù)R2為0.96699，而準(zhǔn)二

34、級反應(yīng)動力學(xué)方程擬合的相關(guān)系數(shù)R2僅為0.97138，比準(zhǔn)一級反應(yīng)動力學(xué)方程稍高，說明實驗中活性炭的吸附更符合準(zhǔn)二級反應(yīng)動力學(xué)方程。一級動力學(xué)是指反應(yīng)速率與一種反應(yīng)物濃度呈線性關(guān)系，二級動力學(xué)指反應(yīng)速率與兩種反應(yīng)物濃度呈線性關(guān)系。準(zhǔn)一級動力學(xué)是指眾多因子中存在一種因子決定反應(yīng)速率或理論上不是一級動力學(xué)但可以相當(dāng)于一級反應(yīng)的動力學(xué)稱為準(zhǔn)一級動力學(xué)，準(zhǔn)二級動力學(xué)與二級動力學(xué)的區(qū)別同上。實驗中的水樣取自河道水，其中有機物種類繁多且組成復(fù)雜，活性炭吸附的有機物多樣，由單因子決定活性炭吸附速率的可能性遠(yuǎn)比雙因子或多因子小，因此本實驗中活性炭對水中COD的動態(tài)吸附過程更符合準(zhǔn)二級反應(yīng)動力學(xué)模型。5.3 活

35、性炭改性實驗以硝酸濃度為橫坐標(biāo)，COD去除率為縱坐標(biāo)，繪制吸附時間與COD去除率關(guān)系曲線如圖5-8所示。圖5-8 硝酸濃度與COD去除率關(guān)系曲線由上圖可以觀察到，當(dāng)用1.2 mol/L硝酸改性時，COD去除率反而比未改性活性炭低，說明用低濃度的硝酸改性對活性炭吸附COD沒有改進效果；當(dāng)用3.5 mol/L硝酸改性時，COD去除率明顯比未改性時高，且在本實驗中為最高，說明在本實驗中用3.5 mol/L硝酸改性對活性炭吸附COD有最好的改進效果；當(dāng)繼續(xù)增大硝酸濃度至7.2 mol/L、13.2 mol/L時，COD去除率逐漸下降，說明隨著硝酸濃度的進一步上升，對活性炭吸附COD的改進效果逐漸下降，

36、硝酸濃度為13.2 mol/L時，COD去除率與未改性時相同，此時對活性炭吸附COD沒有改進作用。此外，本實驗中，最高COD去除率為39.57%，最低COD去除率為28.06%，兩者之間相差不大，說明使用不同濃度硝酸改性對改善活性炭吸附COD效果的作用無明顯差異；最高COD去除率39.57% 并不是很高，與原水的COD去除率32.37%相差也不是很大，這說明使用硝酸改性對改善活性炭吸附COD效果無明顯作用。綜上分析，硝酸濃度與COD去除率之間的關(guān)系并無明顯規(guī)律，利用硝酸改性對改善活性炭吸附COD效果無明顯作用，造成該現(xiàn)象的可能原因如下：利用硝酸改性活性炭，除了硝酸濃度可能對改性效果造成影響之外

37、，溫度和處理時間也可能對改性效果造成影響，溫度和處理時間對活性炭吸附性能的影響因吸附質(zhì)而異。很可能本實驗進行時的環(huán)境溫度與所選取的處理時間剛好不是改善活性炭吸附COD性能的適宜溫度和適宜處理時間，因而改性后活性炭吸附性能無明顯變化。氧化改性可增強活性炭對CO2、SO2、苯、金屬離子等極性較強的物質(zhì)的吸附，但減弱了對苯酚、腐殖酸等以疏水性為主的有機物的吸附。天然水體中普遍存在化學(xué)性質(zhì)和組成復(fù)雜的有機物，有機物的種類和濃度各異，極性強弱存在差異。實驗中的水樣取自天然河道，其有機物組成復(fù)雜，硝酸改性對活性炭吸附這些有機物的效果部分呈增強作用，部分呈減弱作用，而綜合吸附效果可能剛好無明顯的增強作用或減

38、弱作用。根據(jù)文獻資料（金璇，馬魯銘等，表面化學(xué)改性活性炭對有機物吸附的研究進展），強酸氧化改性活性炭吸附有機物，若吸附是在水溶液中進行，由于活性炭表面酸性含氧基團大量增加，與水的親和力增大，由于水的競爭吸附，不利于有機物的吸附；有機物吸附量與活性炭表面的酸度無規(guī)律性關(guān)系，但和表面的羥基和酚羥基有密切關(guān)系，羥基和酚羥基增多，吸附量增大，羥基和酚羥基減少，吸附量降低。本實驗中用硝酸改性活性炭吸附河道水水樣中的COD，不僅對COD去除無改善作用，還很可能對COD去除產(chǎn)生負(fù)影響。6 誤差分析(1) 實驗中對原水的過濾是在兩套抽濾裝置中進行的，抽濾裝置的真空壓力不同、更換濾紙的頻率不同，將使兩套裝置對原

39、水的過濾效果產(chǎn)生差別，因而原水中的初始COD濃度也將產(chǎn)生些許差別，這將對出水COD的測量結(jié)果產(chǎn)生一定影響。因此，最好將過濾后的所有原水充分混合再分裝到各燒杯中。(2) 前兩次實驗中由于經(jīng)驗不足，將活性炭的攪拌速度控制為350 r/min，這個速度對于400 mL的水樣是偏高的。攪拌速度偏高的情況下，活性炭粒子間很可能產(chǎn)生相互碰撞和摩擦，這將對活性炭的物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，從而影響活性炭的吸附性能。(3) 在過濾操作中，有時選到的抽濾裝置密封效果不佳，需要人為用手壓著漏斗才能保證有足夠的真空度。在最開始倒加水樣時往往由于人力不足，無法在用手倒水樣同時壓著漏斗，因而導(dǎo)致初始真空度不足，這將使得初始過濾

40、時有一小部分ss通過濾紙與漏斗壁之間的縫隙進入瓶中，對過濾效果產(chǎn)生影響。(4) 實驗中，為了加快實驗進度，過濾了一定量原水后就開始往燒杯中裝原水，而等到再次往剩下的燒杯中裝原水時，之前燒杯中的原水已與活性炭接觸混合了一定時間，在這段時間內(nèi)活性炭可能已吸附了一定量的有機物，這將使得提前裝好的水樣測得的COD值偏低。(5) 配制、稱量各類藥品時會有一定的誤差。(6) 在滴定過程中，由于人眼對顏色的分辨有限，因此對滴定終點的判斷會存在誤差。7 思考與討論7.1 影響活性炭對水中有機物吸附量的因素由于活性炭水處理所涉及的吸附過程和作用原理較為復(fù)雜，因此影響因素也較多。王要與活性炭的性質(zhì)、水中污染物的性

41、質(zhì)、活性炭處理的過程原理一級選擇的運轉(zhuǎn)參數(shù)與操作條件等有關(guān)。影響活性炭對水中有機物的吸附量有如下因素：（1）活性炭的結(jié)構(gòu)及特性因為活性炭對水中有機物的吸附是一種表面現(xiàn)象，所以活性炭的孔徑、孔容分布及比表面積影響吸附容量。細(xì)孔越多，比表面積越大，吸附量也越大，但除去高分子有機物的效果較差。（2）被吸附有機物的性質(zhì)有相同的活性炭對不同的有機物吸附，其吸附量與吸附速度都有明顯差別，這主要與有機物在水中的溶解度、相對分子質(zhì)量大小和濃度高低等因素有關(guān)?；钚蕴繉τ袡C物的吸附特點可以概括為：對芳香族有機物的吸附優(yōu)于非芳香族有機物（因為芳香族有機物能使溶液表面張力降低，因而容易被吸附）；對分子量大的有機物吸附優(yōu)于分子量小的有機物（一般水中有機物的分子量增加，吸附量也增加，但分子量增大到一定程度時，因擴散速度減慢，反而使吸附量和吸附速度降低。)對水中溶解度小的有機物吸附優(yōu)于溶解度大的有機物，因為活性炭是一種憎水性物質(zhì)，所以憎水性強的有機物越容易被吸附，有機物的憎水性越強，在水中的溶解度就越小。（3）水的PH值 由于天然水中的有機物主要為有機酸，而有機酸在低PH值下電離較小，因為活性炭對分子態(tài)的弱電解質(zhì)對離子態(tài)的吸附量大，所