活性碳吸附综合实验报告

01实验目的(1)通过实验进一步了解活性炭的吸附工艺及性能；(2)熟悉整个实验过程的操作；(3)掌握用“间歇法”、“连续流”法确定活性炭处理污水的设计参数的方法；(4)学会使用一级动力学、二级动力学方程拟合分析，对PAC的吸附进行动力学分析研究；(5)了解活性炭改性的方法以及其影响因素。2实验原理2.1活性炭间隙性吸附实验原理活性炭吸附就是利用活性炭的固体表面对水中一种或多种物质的吸附作用，己达到净化水质的目的。活性炭的吸附作用产生于两个方面，一是由于活性炭内部分子在各个方向都受到同等大小的力而在表面的分子则受到不平衡的力，这就使其他分子吸附于其表面上，此为物理吸附；另一个是由于活性炭与被吸附物质之间的化学作用，此为化学吸附。活性炭的吸附是上述两种吸附综合的结果。当活性炭在溶液中的吸附速度和解吸速度相等时，即单位时间内的活性炭的数量等于解吸的数量时，此时被吸附物质在溶液中的浓度和在活性炭表面的浓度均不在变化，而达到平衡，此时的动平衡称为活性炭吸附平衡而此时被吸附物质在溶液中的浓度称为平衡浓度。活性炭的吸附能力以吸附量q表示。q=V(C0−C)M=XM式中：q——活性炭吸附量，即单位重量的吸附剂所吸附的物质量，g/g；V——污水体积，L；C0、C——分别为吸附前原水及吸附平衡时污水中的物质浓度，g/L；X——被吸附物质重量，g；M——活性炭投加量，g。在温度一定的条件下，活性炭的吸附量随被吸附物质平衡浓度的提高而提高，1两者之间的变化称为吸附等温线，通常费用兰德里希经验公式加以表达。q=K·C1n式中：q——活性炭吸附量，g/g；C——被吸附物质平衡浓度g/L；K、n——溶液的浓度，pH值以及吸附剂和被吸附物质的性质有关的常数。K、n值求法如下：通过间歇式活性炭吸附实验测得q、C相应之值，将式取对数后变换为下式：lgq=lgK+1nlgC将q、C相应值点绘在双对数坐标纸上，所得直线的斜率为1/n，截距则为K。此外，还有朗缪尔吸附等温式，它通常用来描述物质在均一表面上的单层吸附，表达式为：1q=1q𝑚K·1C+1q𝑚由于间歇式静态吸附法处理能力低、设备多，故在工程中多采用连续流活性炭吸附法，即活性炭动态吸附法。采用连续流方式的活性炭层吸附性能可用勃哈特和亚当斯所提出的关系式来表达。ln(C0C−1)=ln[exp(KN0DV−1)]−KC0tt=N0C0VD−1C0Kln(C0CB)⁡式中：t——工作时间，h；V——流速，m/h；D——活性炭层厚度，m；K——速度常数，L/mg·h；N0——吸附容量、即达到饱和时被吸附物质的吸附量，mg/L；C0——进水中被吸附物质浓度，mg/L；CB——允许出水溶质浓度，mg/L。当工作时间t=0，能使出水溶质小于CB的碳层理论深度称为活性炭的临界深度，其值由上式t=0推出。2D0=VKN0ln(C0CB−1)碳柱的吸附容量（N0）和速度常数（K），可通过连续流活性炭吸附试验并利用公式t~D线性关系回归或作图法求出。2.2活性炭吸附动力学实验原理动力学研究各种因素对化学反应速率影响的规律，研究化学反应过程经历的具体步骤，即所谓反应机理。它探索将热力学计算得到的可能性变为现实性，将实验测定的化学反应系统宏观量间的关系通过经验公式关联起来。固体吸附剂对溶液中溶质的吸附动力学过程可用准一级、准二级、韦伯-莫里斯(WeberandMorris)内扩散模型和班厄姆(Bangham)孔隙扩散模型来进行描述。（1）基于固体吸附量的拉格尔格伦(Lagergren)准一级速率方程是最为常见的，应用于液相的吸附动力学方程，模型公式如下：qt=qe[1−exp(−Kt)]或ln(qe−qt)=lnqe−Kt式中：qe——平衡吸附量，mg/g；qt——时间为t时的吸附量，mg/g；K——一次方程吸附速率常数，min-1。以log(qe-qt)对t作图，如果能得到一条直线，说明其吸附机理符合准一级动力学模型。（2）准二级速率方程是基于假定吸附速率受化学吸附机理的控制，这种化学吸附涉及到吸附剂与吸附质之间的电子共用或电子转移，其公式为：tqt=1Ksqe2+1qet式中Ks为二级吸附速率常数以t/qt对t作图，如果能得到一条直线，说明其吸附机理符合准二级动力学模型。（3）韦伯-莫里斯模型常用来分析反应中的控制步骤，求出吸附剂的颗粒内扩散速率常数。其公式为：3qt=Kipt12+C式中，C是涉及到厚度、边界层的常数。Kip是内扩散率常数。qt对t1/2作图是直线且经过原点，说明内扩散由单一速率控制。（4）班厄姆方程常被用来描述在吸附过程中的孔道扩散机理，方程尽管是以经验式提出，但可认为是与Freundlich等温吸附方程对应的动力学方程，这可从理论上导出。其公式为：𝑙g[lg(C0′C0′−q′m′)]=lg(k0m′2.303V)+αlgt当线性拟合得到较好直线，拟合系数R2大于0.99时表示此孔道扩散模型能较好的表示实际吸附情况。（5）此外，叶洛维奇(Elovich)方程也是可用来描述反应速率与时间关系的动力学方程，其表达式为：qt=1βln⁡(1+αβt)2.3活性炭改性实验原理普通活性炭比表面积小、孔径分布不均匀和吸附选择性能差，故普通活性炭需要进一步的改性，满足实验和工程需要。现在常采用工艺控制和后处理技术对活性炭的孔隙结构进行调整，对表面化学性质进行改性，进而提高其吸附性能。改性方法有表面结构的改性以及表面化学性质的改性两大类。活性炭表面化学性质的改性又可分为表面氧化法、表面还原法负载原子和化合物法以及酸碱改性法三种。本次实验用硝酸对活性炭进行改性，属于表面氧化法。硝酸在适当的温度下对活性炭材料表面的官能团进行氧化，从而提高材料含氧官能团的含量，增强材料表面的亲水性。常用的氧化剂除了硝酸外，还有HClO和H2O2等。3实验内容3.1实验设备与试剂4表3-1实验中所用试剂及说明仪器（试剂）数量振荡器1台500mL三角烧杯6个烘箱1个COD、SS等测定分析装置一套玻璃器皿若干滤纸、活性炭若干有机玻璃碳柱d=20~30mm；H=1.0m配水及投配系统/硫酸亚铁铵现配催化剂硫酸-硫酸银重铬酸钾标准溶液亚铁灵指示剂实验室配备3.2实验装置实验装置如图3-1和图3-2所示。图3-1间歇式活性炭吸附装置5图3-2连续式活性炭吸附试验装置3.3实验步骤3.3.1活性炭间隙吸附实验(1)将某污水用滤布过滤，去除水中悬浮物或自配污水，测定该污水的COD、SS等值。(2)将活性炭放在蒸馏水中浸24h，然后放在105℃烘箱中烘至恒重，再将烘干后的活性炭压碎，使其成为能通过200目一下筛孔的粉状炭。因为粒状活性炭要达到吸附平衡耗时太长，往往需要数日或数周，为了使实验能在短时间内结束，应多用粉状炭。(3)在6个500mI的三角瓶中分别投加0mg、100mg、200mg、300mg、400mg、500mg粉状活性炭。(4)在每个三角瓶中投加同体积的过滤后的污水，使每个烧瓶中的COD浓度与活性炭浓度的比值在0.05~5.0之间。(5)测定水温，将三角瓶放在振荡器上振荡，当达到吸附平衡(时间延至滤出液的有机物浓度COD值不再改变)时即可停止振荡。(时间一般为30min以上)。(6)过滤各三角瓶中的污水，测定其剩余COD值，求出吸附量q。3.3.2活性炭吸附动力学实验(1)在6个500mI的锥形瓶中投加500mg粉状活性炭，再分别加入400mL原水(过6滤后)。(2)分别在0min、10min、30min、50min、70min、90min时过滤测定出水COD，并计算吸附量。3.3.3活性炭改性实验(1)称取四组质量为20g的粉末活性炭，分别放入200mL锥形瓶中。(2)分别往锥形瓶中添加100mL1.2mol/L、3.5mol/L、7.2mol/L、13.2mol/L浓度的硝酸，浸泡粉末活性炭，在常温下放置2h，期间不断晃动，后用砂芯漏斗进行抽洗，直至活性炭pH呈中性，在烘箱中烘干，备用。(3)在5个500ml的锥形瓶中分别投加经1.2mol/L、3.5mol/L、7.2mol/L、13.2mol/L浓度的硝酸改性的500mg粉状活性炭、未经改性的粉末活性炭，再分别加入400mL原水（过滤后）。(4)在30min时测定出水的COD，并计算吸附量。74数据记录与整理4.1活性炭间隙吸附实验4.1.1实验基本数据表4-1活性炭间隙吸附实验基本数据水温：28℃水样体积：400mL吸附时间：30min搅拌强度：350r/min(NH4)2Fe(SO4)2溶液浓度：0.01294mol/L4.1.2实验数据记录表4-2活性炭间隙吸附实验数据记录水样活性炭投加量/mg滴加(NH4)2Fe(SO4)2溶液体积/mLCOD浓度/(mg/L)COD去除量/(mg/L)COD去除率/%吸附量q/(mg/g)蒸馏水/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)40019.4010.3528.9973.6828.99K(500mg)50019.655.1834.1686.8427.3384.2活性炭吸附动力学实验4.2.1实验基本数据表4-3活性炭间隙吸附实验基本数据水温：30℃水样体积：400mL活性炭投加量：400mg搅拌强度：350r/min(NH4)2Fe(SO4)2溶液浓度：0.01082mol/L4.2.2实验数据记录表4-4活性炭吸附动力学实验数据记录水样吸附时间t/min滴加(NH4)2Fe(SO4)2溶液体积/mLCOD浓度/(mg/L)COD去除量/(mg/L)COD去除率/%吸附量q/(mg/g)蒸馏水/20.00////原水017.80、17.6038.10、41.56平均39.830.000.000.00A(10min)1018.4726.4913.3333.4813.33A(30min)3018.9019.0520.7852.1720.78A(50min)5019.2113.6826.1565.6526.15A(70min)7019.3211.7728.0570.4328.05A(90min)9019.606.9332.9082.6132.9094.3活性炭改性实验4.3.1实验基本数据表4-3活性炭间隙吸附实验基本数据水温：31℃水样体积：400mL活性炭投加量：300mg搅拌强度：150r/min吸附时间：30min(NH4)2Fe(SO4)2溶液浓度：0.01083mol/L4.3.2实验数据记录表4-4活性炭吸附动力学实验数据记录水样硝酸浓度/(mol/L)滴加(NH4)2Fe(SO4)2溶液体积/mLCOD浓度/(mg/L)COD去除量/(mg/L)COD去除率/%吸附量q/(mg/g)蒸馏水/23.65////原水020.10、20.2561.74、59.13平均60.430.000.000.00B(未改性)021.3040.8719.5732.3726.09B(1.2)1.221.1543.4816.9628.0622.61B(3.5)3.521.5536.5223.9139.5731.88B(7.2)7.221.3540.0020.4333.8127.25B(13.2)13.221.3040.8719.5732.3726.095数据处理与分析5.1活性炭间隙吸附实验5.1.1活性炭投加量与COD去除率关系以活性炭投加量为横坐标，出水COD浓度、COD去除率为纵坐标，绘制活10性炭投加量与COD去除率关系曲线如图5-1所示。图5-1活性炭投加量与COD去除率关系曲线由图5-1可看出，随着粉末活性炭投加量的增大，水样中COD的出水浓度逐渐下降，100mg活性炭对应的出水COD浓度为39.34mg/L，而500mg活性炭对应的出水COD浓度为5.18mg/L；