（化学工程专业论文）活性炭纤维吸附法脱除水中氯苯酚及吸附剂再生的研究.pdf

内容摘要 内容摘要 酚类化合物广泛存在于石油化工厂、树脂厂、焦化厂、炼油化工厂等排放的含 酚废水中，它能与生物活体的蛋白质结合使其变性，最终引起组织损伤、坏死，引 起生物中毒“1 。因此，开发经济有效的脱除废水中酚类化合物的工艺是非常有意义 的。本文采用活性炭纤维( a c f ) 处理对氯苯酚( p c p ) 模拟工业废水，研究了其 静态和动态吸附脱附过程。 首先，研究了p c p 在a c f 上的吸附平衡实验( 2 5 、3 0 。c 、4 0 。c 下) ，并研究 了等温平衡吸附的参数模型方程。由实验知：a c f 对p c p 的平衡吸附量随温度升高 而降低，但变化不大。p c p 在a c f 上的吸附等温线服从l a n g m u i r 型方程，并计算 得到模型参数。 第二，研究对氯苯酚在活性炭纤维填充床上的突破曲线，通过改变原样浓度， 液体流量，填充床高度等参数，确定影响活性炭纤维填充床突破时间的因素。 第三，研究了p c p 在活性炭纤维上的吸附速率。 第四，研究了静态及动态情况下，利用碱法再生法对活性炭纤维的再生进行研 究，通过再生前后吸附量的变化得出再生率。 第五，为了进一步探讨对氯苯酚在活性炭纤维上吸附的机理，建立了数学模 型，并讨论各模型参数对突破曲线的影响程度，通过求解所建立的数学模型可以很 好的预测突破曲线。 最后，通过模型的求解和机理的分析，发现在这个吸附的传质过程中，以轴向 返混对突破曲线的影响最大，从而通过脉冲示踪响应法测定轴向返混系数并确定合 适的经验方程。 关键词：对氯苯酚，活性炭纤维，填充床，吸附，再生 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec h l o r o p h e n o lw a s t e w a t e ri sh a r mt oe n v i r o n m e n ta n dl i v i n gc r e a t u r es e r i o u s l y f r o mt h ef a c t o r y i tc a nm a k et h ec r e a t u r ed e n a t u r et h r o u g hc o m b i n i n g 也ea l b u m i n ，a n d l e tt o 山eo r g a n i z a t i o ni n j u r e d w ep e r f o r m e da ne x t e n d e ds t u d yo nt h et r e a t m e n to f c h l o r o p h e n o l w a s t e w a t e rb ya d s o r p t i o n w ju s e da c t i v a t e dc a r b o nf i b e r ( a c f lt ot r e a tp - c h l o r o p h e n o l ( p e p ) w a s t e w a t e r a d s o r p t i o ni s o t h e r ma n dd y n a m i ca d s o r p t i o nb r e a k t h r o u g hc u r v ew e r es t u d i e d w ea l s o s t u d i e dt h ee r i e c t so ft h ef a c t o r so na d s o r p t i o ns u c ha st h et e m p e r a t u r e ，t h ef l o wr a t e ，t h e b e d l e v e l ，e t c t h ea d s o r p t i o no fp c h l o r o p h e n o li nw a s t e w a t e rw a sc a r r i e do n2 5 ，3 0 a n d 3 5 r e s p e c t i v e l y i tw a s s h o w nt h a tt h ee q u i l i b r i u ma d s o r b e dq u a n t i t yo na c t i v a t e dc a r b o n f i b e rd e c r e a s e dw h i l et h et e m p e r a t u r ea r i s i n g w ja l s os t u d i e d 也ep a r a m e t e re q u a t i o n m o d e lf o ri s o t h c m l a ll i n eo f e q u i l i b r i u ma d s o r p t i o n i tw a so b v i o u st h a ta d s o r p t i o np r o c e s s c a nb ew e l ld e s c r i b e db yl a n g m u i re q u a t i o n i nt h ee x p e r i m e n to ft h ea d s o r p t i o nr a t e ，w es t u d i e dt h ea d s o r p t i o nr a t el i n eo n a c t i v a t e dc a r b o nf i b e r w ek n e wt h a t 也ea d s o r p t i o nr a t ei sd e c r e a s e da st h et i m ea r i s i n g w es t u d i e dt h eb r e a k t h r o t l g hc u r v e sf o ra d s o r p t i o no fp c h l o r o p h e n o lo na c t i v a t e d c a r b o nf i b e ri naf i x e db e d i ti sc o n c l u d e dt h a tt h eb r e a k t h r o u gt i m eb e c a m es h o r t e rw h i l e w ea r i s e dt h ef l o wr a t eo rd e c r e a s e dt h eb e dh i g h t h a c t i v a t e dc a r b o nf i b e rw a sr e g e n e r a t e d b ys o d i u mh y d r o x i d et h er e g e n e r a t i o na b i l i t yo f a c t i v a t e dc a r b o nf i b e rc a nr e a c h8 6 a n d t h er e g e n e r a t i o ns t a b i l i t yo f a c t i v a t e dc a r b o nf i b e ri sf i n e i no r d e rt od i s c u s st h em e c h a n i s mo f p c h l o r o p h e n o lo na c t i v a t e df i b e r , am o d e lw a s e s t a b l i s h e d a n dt h ei n f l u e n c eo ft h ep a r a m e t e r so fi t o nb r e a k t h r o u 【g hc u r v e sw a s i n v e s t i g a t e d ，n l eb r e a k t h r o u 曲c b e v c so fp c h l o r o p h e n o li nt h ef i x e db e dp a c k e dw i t h a c t i v a t e dc a r b o nf i b e r 似c f ) a sa d s o r b e rc a nb ep r e d i c t e db yt h i sm o d e l a ti a s t b a s e do nt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a ld a t aw i t ht h es i m u l a t i n g r e s u l t sb ym o d e lf o rt h eb r e a k t h r o u g hc u r v e s ，a x i a ld i s p e r s i o ni st h ec o n t r o l l i n gs t e pa m o n g t h em o d e lp a r a m e t e r s t h e r e f o r e t h ea x i a ld i s p e r s i o ni nf i x e db e dp a c k e dw i t ha c fw a s m e a s u r e db yt h ep u l s er e s p o n s em c t h o d ，a n da ne m p i r i c a le q u a t i o nw a sr e c o m m e n d e dt o e s t i m a t ei t k e yw o r d s ：p - c h l o r o p h e n o l ；a c t i v a t e d c a r b o nf i b e r ；f i x e db e d ；a d s o r p t i o n r e g e n e r a l a o n i i 沈阳化工学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的贡献也己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 日期 沈阳化工学院学位论文使用授权声明 沈阳化工学院有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印和 其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。在保密期外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授 权沈阳化工学院研究生部办理。 研究生签名导师签名日期 沈阳化工学院硕士学位论文引言 引言 化学工业与医药工业等企业排出的大量含酚废水对环境造成的污染十分严重。 随着化学工业的发展和环境保护的要求日益严格，含酚废水的处理越来越受到重 视。从环境因素和经济效益两个角度考虑，水处理技术应尽量首先考虑兼顾资源回 收利用与废水处理达标排放的技术。 含酚废水的处理方法一般分为物化法、化学法和生化法三大类。1 。物化法包括 吸附法、蒸馏法、膜分离法等。物化法中的吸附法设备简单、操作方便，并且吸附 剂可以解吸再生利用，酚可以回收。但若吸附剂再生性能差、价格贵，则很难在实 际水处理中普遍应用。 本文采用的活性炭纤维吸附方法是一种高效的分离方法，活性炭纤维作为一种 新型的材料在吸附工业上有很大的应用前景，而且吸附法设备简单，操作方便，净 化率高，能耗低。由于活性炭纤维结构的特殊性：微孑l 分布较活性炭均匀，而且 孔径才几十a ，所以在吸附过程中，仅以表面扩散为主，而孔扩散几乎不存在“卜 。o i 。采用活性炭纤维吸附法处理废水是一种较有效的处理方法 应用活性炭纤维吸附法处理含酚废水，吸附剂的再生使用日益受到重视。再生 方法的选择，有溶剂再生法“、热再生法“、生物再生法“3 1 等，其中以液相形式， 采用碱液对活性炭进行再生，作为替代热再生的有效途径，具有如下优点“”： 1 ) 活性炭纤维可在原处再生，无需卸载，运输和再次装填，避免了活性炭纤维 的磨损； 2 ) 活性炭纤维的表面结构不会因多次再生而受影响，其吸附性能仅因为不可逆 吸附的存在而略微降低，即理论上活性炭纤维可无限次重复使用； 3 ) 通过蒸馏等后续手段可回收吸附质及再生剂。 本文以低浓度对氯苯酚溶液为对象，研究对氯苯酚在活性炭纤维上的吸附特 性，探讨了利用碱法对吸附氯苯酚达饱和的活性炭纤维的再生。 沈阳化工学院硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 含酚废水的处理方法 目前所采用处理含酚污水的方法很多，从大的方面看，有物化法，化学法和生化法三大类 别。其中物化法中吸附法设备简单、操作方便，吸附剂可以解吸再生循环利用，酚可以回收， 所以采用具有较大比表面积和优良吸附性能的吸附剂，如活性炭纤维处理含酚废水具有很广阔 的应用前景。活性炭纤维吸附性能优良，吸附能力强，具有良好的物理化学效应，而且容易再 生利用。利用活性炭纤维作吸附剂已受到环境科学工作者的重视，活性炭纤维的应用将日益广 泛。 l - 1 1 物理处理法 1 1 1 1 吸附法 吸附法“”是利用吸附剂的多孔性及巨大的比表面积，将废水中的微量有机物吸附在固体表 面，从而使废水得到净化的一种方法。 ( 1 ) 炭吸附剂 炭吸附剂中的活性炭处理含油废水的效果比较好“，利用活性炭能非常容易的从废水中去 除苯类、酚类物质，如果能结合曝气，先将其曝气，再用活性炭处理效果会更好：利用活性炭 吸附苯等芳烃化合物时，废水的p h 值对处理效果影响不大，废水中若无其它有害杂质存在的 话，经再生的活性炭仍能保持原有的吸附能力。 ( 2 ) 无机吸附剂 无机吸附剂可以分为天然吸附剂和人工无机吸附剂，其特点是价格便宜，再生容易。天然 的无机吸附剂目前在不少的场合己得到广泛的应用，例如沸石可以用来处理含苯、苯酚的废 水，用有机物表面改性的膨润土可以用于处理含油废水，粉末改性的膨润土也可以用有机粘台 剂使之成为颗粒状，以便于使用。通过离子交换反应制得的三甲基苄基铵及四甲基铵一粘土改 l 生物；人工合成的无机吸附剂，主要是铝、钙、镁、及锌的化合物以及一些磁性物质。 ( 3 ) 有机吸附剂 一般说来，有机吸附剂的除去有机物的能力要比无机吸附剂为好，它也可以分为天然或天 然改性的有机吸附剂两大类：有机吸附剂可以单独使用，也可以与无机吸附剂加工成复合吸附 剂使用，其中间具有的空穴可以和分子组成环状物，其中间具有如与酚类物质或连接在纤维素 上等组成的新吸附剂，利用络合原理从废水中去除酚类物质。 1 1 1 2 吹脱法或蒸馏法 吹脱法或蒸馏法主要用来处理废水中低沸点，高挥发性的烃类化合物，在工业废水中的苯 类、酚类物质均可用此法处理“，而得到良好效果，在以乙苯制造过程中的含油废水处理的研 2 沈阳化工学院硕士学位论文第一章文献综述 究而得到最多。 用蒸馏法、气提法或吹脱法可以从废水中回收二氯乙烷，三氯乙烯，过氧乙烯及氯苯酚 等。在用吹脱法处理含油烃废水中，气体应采用吸附剂吸附回收以免污染大气，也可将吹脱气 体进行燃烧处理。 1 1 1 3 膜分离技术 膜分离技术在废水处理方法中有一定地位，最早曾广泛研究和用于海水淡化技术中，由于 其能耗较其他方法低，因此受到重视，用膜技术来去除废水中的卤烃，比较成功的例子是氯 苯，氯化聚氯乙烯膜对氯苯的去除选择率为1 0 0 ，氯苯可以从原来的1 4 0 m g l 降低到处理后的 0 7 m g 1 ：废水中的苯，氯苯等可用醋酸纤维或芳香聚酰胺膜进行反渗透处理，回收率一般在 3 0 4 0 。 1 1 2 生化处理法 现已发现生化处理法对大部分烃类化合物基本上都是有效的“1 ，大多烃类物质是可以生化降 解的，在合适的条件下，烃类物质在废水中的浓度为1 0 0 0m g 1 以下时，对活性混合不良产生 的不良作用，其处理能力均在0 3 k g k g 左右，一般在同系化合物中碳链较大者易于发生生化降 解，而取代基的存在，对脂肪族的生化降解会产生不利的反应；脂环烃的生化降解，与参与环 的碳原子有关。 1 2 ，吸附分离 1 2 1 吸附分离概论 当流体( 气体或液体) 和固体相接触时，由于固体表面存在着表面力，流体中的某些物质 被固体表面所捕获，这种现象称为吸附。利用吸附剂对气体( 或液体) 混合物中各组分吸附能 力的差别，将混合物分离的过程称为吸附分离。 吸附分离操作在化学、食品、医药等工业部门中，在气体和液体的精致、分离提纯等方面 得到了广泛应用。尤其是活性炭吸附分离应用在空气净化和废水处理等环境保护工程中有着很 重要的地位。 吸附分离操作和其它分离操作一样有其优缺点，有其一定的适用范围。吸附分离过程的优 点是在溶质浓度较低的情况下，固体吸附气体或液体的平衡常数，远远大于汽液和液液平衡常 数，因此，特别适合于低浓度混合物的分离和气体或液体的深度提纯。其缺点在于，吸附剂是 固体，难于实现连续操作；吸附剂的吸附容量小，再生频繁，不适合分离高浓度体系等，这些 都使吸附分离操作的应用受到一定的限制。 1 2 2 吸附剂及其选择 吸附是一种表面现象，因此吸附剂的特征应该是具有很大的比表面积和多孔结构，从而具 有较大的吸附容量，以提高其分离能力。常见的吸附剂有硅胶，活性炭、活性炭纤维、活性氧 化铝，合成沸石分子筛和合成树脂等。 当采用吸附法来分离某一混合物时，选择哪种吸附剂，需要根据被分离的对象和吸附剂本 垫圈些三堂堕亟主兰焦鲨塞 整二童苎塾堡鲨 身的特点进行全面的分析才能确定。对于难分离的体系，主要用分子筛作为吸附剂。又如若分 离体系是水溶液，而且被吸附组分又是非极性物质时，则只能用活性炭作为吸附剂，因为活性 炭是表面电中性的唯一的疏水性吸附剂。有时即使吸附同一种吸附质，在不同的条件下，也要 采用不同的吸附剂，使用时要扬长避短。如去除原料气或原料液中的水分时，即可用硅胶作为 吸附剂，也可用沸石作为吸附剂，这要根据水分含量的多少和温度的高低来决定。此外，选择 吸附剂时要兼顾到吸附和解吸两个过程，吸附和解吸是两个矛盾的逆过程，一般吸附易，解吸 就相对困难。 “纤维状吸附剂”是近年来开发的种新型吸附剂。用作纤维状吸附剂的有炭纤维、玻璃 纤维和氧化铝纤维等。用炭纤维进行吸附时，要比颗粒活性炭优越。主要表现在前者对气体中 含有的有机物及有害杂质能较迅速吸附，解吸和再生条件比较缓和，并且可以加工成各种形 状，便于操作。特别是对低浓度物质的吸附仍能保持很高的效率，并且温度对活性炭纤维吸附 效率的影响比颗粒活性炭小得多。 1 2 3 液相吸附 1 2 3 1 液相吸附等温线 液相通过固体吸附剂层时，将吸附剂上的吸附质的平衡浓度与液相吸附质浓度的关系绘制 成吸附等温线。按等温线的吸附平衡关系，可以分为以下几种情况“： 1 、优惠型吸附等温线：等温线的斜率随溶液浓度c 的增加而降低，曲线呈上凸状，即为优 惠型吸附等温线，其吸附平衡常数c s c 较大。表现在固定床吸附时，沿流动方向的浓度梯度显 得比较陡，因此可以适当地降低床层高度。这类吸附属l a n g m u i r 型。 2 、非优惠型吸附等温线：等温线的斜率随溶液浓度c 的增加而增加，曲线呈下凹型，即为 非优惠型吸附等温线，其吸附平衡常数值比优惠型的小。吸附时固定床的床层高度较大。 3 、线性吸附等温线：曲线斜率不随浓度变化，这是由于被吸附组分在溶液和吸附剂表面之 间是按一定的比例进行分配的。 实际上，一条吸附等温线分成几段：有的段属优惠型，有的段属于非优惠型。因此在实际 操作中，应尽量使操作条件的选择按优惠型来安排。另外在选择吸附剂时，应选择呈优惠型等 温线的吸附剂。 由于吸附层里存在着传质阻力，所以优惠型等温线的变陡和非优惠型等温线斜率变小等趋 势，都会逐渐减缓，最后以一固定曲线形状稳定向前发展。 液相吸附时，除了吸附剂的种类不同而外，溶剂的性质也不同。溶液内溶质与溶剂间还有 种种相互作用，且溶质和溶剂均有被吸附的可能，所以液相吸附比气相吸附要复杂得多。影响 溶液吸附速率的因素很多，包括溶液的粘度、溶质在溶剂中的溶解度、溶质的分子大小、扩散 速度、固体吸附剂小孔的尺寸等。 1 2 3 2 稀溶液中溶质的吸附 当固体吸附剂与二元溶液接触时，溶质和溶剂都被吸附。因为总吸附量难以测量，故只能 以溶质的相对吸附量或表观吸附量来代替。常规的方法是用已知重量的吸附剂来处理己知体积 的溶液。以v 表示单位重量的吸附剂处理的溶液体积( m 3 溶液k g 吸附剂) 。当溶质优先被吸附 时，则溶液中溶质的浓度由初始值c o 降低到最终平衡值c ( k g 被吸附溶质m 3 溶液) ；若忽略溶液 4 沈阳化工学院硕士学位论文 第一章文献综述 的体积变化，则溶质的表观吸附量rc o c 1 ( k g 被吸附溶质k g 吸附剂) 。对于稀溶液，溶剂 被吸附的分数很少，用这种方法表示吸附量是可行的。 有时为较精确地测得溶质表观吸附体积，则假定溶剂不被吸附，溶液中溶剂的最初含量为 矿0 一c 。p ) ，吸附后溶液的体积为y ( 1 - c 。p ) 0 一c p ) ，这时溶质表观吸附量是液相中最 初溶质质量与最终溶质质量之差， 即矿g 一矿( 1 一c o p ) 0 一c p w c 或为 y ( c 。一c + ) o c + p ) 。当然，在这修正方程中仍然忽略溶剂吸附量，式中p 为溶液的密度， k g 0 。 吸 附 口 w 0 j1 卜j ： ( | 。? ? 被吸附溶质表观质量吸附剂重量 图1 1 稀溶液的典型吸附等温线图1 2 浓溶液溶质浓度与吸附量关系 ( t 1 t 2 。 - 透射比i o 入射光强度i 透射光强度 a 吸光度k 吸收系数l 溶液的光径长度 c 溶液浓度 图2 1u v 7 5 4 紫外可见光分光光度计的工作原理 从以上公式可以看出，当入射光、吸收系数和溶液的光径长度不变时，投射光是根据溶液 的浓度而变化的，u v 7 5 4 紫外可见光分光光度计的基本原理是根据上述之物理光学现象而设计 的。 u v 7 5 4 紫外可见光分光光度计能在紫外、可见光谱区域对样品物质作定性和定量的分析。该 仪器可广泛地应用于医药卫生、临床检验、生物化学、石油化工、环境保护、质量控制等部 门，是理化实验室常用的分析仪器之一。 2 2 。2 。3 仪器的主要技术指标、规格 光学系统：单光束、衍射光栅， 显 示：2 2 0 字l c d 显示 波长范围：2 0 0 n m 8 0 0 n m 光源：肋2 5 a 氘灯，钨卤素灯1 2 v 3 0 w 接收元件：光电池 波长准确度：2 r i m 波长重复性：1 r i m 光谱带宽：4 r i m 杂光：0 5 t ( 在2 2 0 n m 、3 4 0 r l l i l 处) 透射比测量范围：0 0 t 2 0 0 0 t 吸光度测量范围：一0 3 0 1 a 3 0 0 0 a 浓度直读范围：0 0 0 0 3 9 9 9 透射比准确度：0 5 t ( 以n b s 9 3 0 d 测试) 透射比重复性：0 2 t 噪声：1 0 0 噪声0 3 t ，o 噪声0 2 t 稳定性；亮电流o 5 t 3 m i n ，暗电流0 2 t 3 m i n 沈阳化工学院硕士学位论文第二章氯苯酚在活性炭纤维上的吸附等温线研究 打印：外接高速热敏打印机 电源：a c 2 2 0 v 2 2 v ，5 0 h z i h z 外形尺寸：5 7 0 n m 4 0 0 h m 2 6 0 n m 净重：3 0 k g 22 2 4 仪器的光学原理 u v 7 5 4 紫外可见光分光光度计采用光栅自准式色散系统和单光束结构光路，布置如图3 1 。 8 l 聚光镜2 滤色片3 钨卤素灯4 - 喵狭缝5 反射镜 6 准直镜7 光栅8 出狭缝9 聚光灯1 0 样品架 1 1 光门1 2 光电池1 3 氘灯 图2 2u v 7 5 4 紫外可见光分光光度计光学原理 氘灯、钨卤素灯发出的连续辐射光经滤色片选择后，由聚光镜后投向单色器进狭缝，此狭 缝正好于聚光镜及单色器内准直镜的焦平面上，因此进入单色器的复合光通过平面反射镜反射 及准直镜准直变成平行光射向色散元件光栅，光栅将入射的复合光通过衍射作用形成按照定 顺序均匀排列的连续的单色光谱，此单色光谱重新回到准直镜上，由于仪器出射狭缝设置在准 直镜的焦平面上，这样，从光栅色散出来的光谱经准直镜后利用聚光原理成象在出射狭缝上， 出射狭缝选出指定带宽的单色光通过聚光镜在试样品中心，样品吸收后透射的光经光门射向光 电池接收。 2 2 标准曲线确定 在实验中，由于每次所配制的p c p 初始浓度不同，利用其所测得的标准曲线，会略有不 同，在实验中我们每配制一次，都要测定一次标准曲线，以修正不同初始浓度对标准曲线测定 所带来的影响，保证测定过程中能得到相对准确的吸光度浓度关系。 2 2 1 标准曲线的绘制 2 2 1 1 实验步骤 l 、称取0 5 9p c p 溶于蒸馏水，移入1 0 0 0 m l 容量瓶中，稀释至标线，置于大玻璃瓶中 配成5 0 0 m g l 的标准原液。 2 、取p c p 原液5 m l 稀释成5 0 m l 中间液( 5 0 m g ) ； 沈阳化工学院硕士学位论文第二章氯苯酚在活性炭纤维上的吸附等温线研究 3 、取1 1 支5 0 m 容量瓶( 依次编号) 分别加入0 1 】o om t 中间液，加水定容至 5 0 m l ，振荡混匀，分别配成相应浓度的溶液； 4 、 静置1 0 m i n 后，于2 8 3 n m 波长，以蒸馏水作为参比溶液，测量吸光度a ： 5 、 以吸光度a 为横坐标，p c p 浓度c 为纵坐标，绘制标准曲线。 2 ，22 2 标准曲线绘制 3 b e 一 趔 鹱 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 o 00020 40 6 0o 吸光度a 图2 3 氯苯酚标准曲线( n = 2 8 3 n m ) 点测量值直线拟合标准曲线 2 3 吸附等温曲线测定 2 3 1 概述 人们对于吸附的研究已经作了大量的工作，研究出了各种模型来描述吸附过程“1 ，这些 模型包括：a 表面扩散模型；b 孔扩散模型；c 组分扩散模型及串联模型：d 与浓度有关的表 面扩散模型。应该指出，模型a 和b 是模型c 的特殊形式，即模型c 的参数取极限时可推出模 型a 和b ，因此对模型c 的研究正在深入”，本文采用全混釜( 间歇操作器) 来研究吸附平衡曲 线，简单易行，而且效果很好。 2 3 2 实验内容 本实验主要研究氯代苯酚的吸附等温平衡线，计算平衡浓度与平衡吸附量之间的关系，并 通过模型模拟计算和推出最大吸附量。 1 9 沈阳化工学院硕士学位论文第二章氯苯酚在活性炭纤维上的吸附等温线研究 2 3 3 平衡吸附等温线的测定原理 如图2 4 所示，a 是平衡曲线上的一个平衡点测定的原理图。在装有溶液体积v l 的全混釜 吸附器，吸附的初始浓度c 0 ，加入吸附剂质量。一，则操作线斜率为v 。u ，经长时间吸附达到 平衡后，殴其平衡浓度c e ，则根据质量守衡定律进行恒算，得： 吼吼= 吒( c o c 。) 吼：坚幽 o 式中g 。平衡吸附量， k g k g ( 1 4 ) 不断改善c o ，或不断改变。一，让v l 不变，可求出一系列( c 。，吼) 点，将这些点连接起 来，就可得到平衡吸附曲线1 。 删 董 蓉 ae q 0 图2 4 全混釜吸附实验操作与平衡曲线的关系 2 3 4 实验装置图、实验步骤 2 34 1 实验装置图 2 0 c e 沈阳化工学院硕士学位论文第二章氯苯酚在活性炭纤维上的吸附等温线研究 图2 5 活性炭纤维吸附水氯苯酚全混釜实验装置示意图 1 恒温水浴2 温度计3 搅拌子4 对氯苯酚溶液5 活性炭纤维 6 恒温水进口7 恒温水出口8 锥形瓶9 磁力搅拌器 2 34 2 实验步骤 l 、 对氯苯酚原溶液的配制和标定：称取0 5 9p c p 溶于蒸馏水，移入1 0 0 0 m l 容量瓶中， 稀释至标线，置于大玻璃瓶中，配成5 0 0 m g 1 的标准原液。 2 、 取不同质量的活性炭纤维，放入已洗净的编号不同的锥形瓶 料o 2 瑙 蠹。1 签 02 04 0b o1 0 01 2 01 4 01 6 0 吸附时间t ( r a i n ) 图3 2吸附速率曲线图 温度：2 5 c p c p 原液浓度：5 0 6 2 7 m g l 3 3实验结果 1 a c f 对氯代苯酚的吸附速率较快，约1 4 0 m i l 1 即可达到吸附平衡( 吸附速 率近似为0 ) 。 2 由吸附速率曲线可知，吸附速率随时间的增加而递减，达平衡后，继续增 加吸附时间，溶液浓度基本无变化。 沈阳化工学院硕士学位论文第四章氯苯酚在活性炭纤维填充床上的吸附突破曲线研究 第四章氯苯酚在活性炭纤维填充床上的吸附 突破曲线研究 4 1 实验内容和流程 4 1 1 填充床吸附简介 吸附操作是利用某些固体能够从溶液中有选择地凝聚一定的组分在其表面上的能力，通过 吸附操作，可使溶液中的组分彼此分离。吸附方式有很多种，如填充床吸附法，上向流膨胀床 吸附法，移动床吸附法，流动床吸附法等。工业上用的最多的是填充床( 固定床) 吸附器，一 般填充床吸附器多为圆柱形立式设各，在内部支撑的格板或孔板上放置吸附剂，使需要处理的 流体通过它，吸附质被吸附剂所吸附，其余流体从出口流出。 填充床吸附器分重力式和压力式两种，其内部需加防腐材料，液体流动方式分为下向流和 上向流两种，为预防吸附剂污染及管理上的需要，需对塔内吸附剂定期进行冲洗。 填充床吸附器拥有许多优点，诸如结构简单、造价低、吸附磨损小、维护管理方便、易于 实行自动化等等“。本文所用的填充床为玻璃制造，为了确保恒温操作1 。有效长度为2 0 0 m m ， 直径为1 8 r a m ；上部具有加料口和溢流管，管外配有循环水套，出1 3 设有流速调节阀，流体流动 采用下向流方式。 4 1 2 实验内容 本实验通过测定活性炭纤维填充床吸附污水中的氯代苯酚的突破曲线，来研究填充床吸附 的数学物理模型，并且通过比较实验值与模型计算值求取模型参数，进而以模型参数为依据， 预测突破曲线，为工业放大提供一定的依据。 4 1 3 分析方法 从填充床下端出1 3 取样，用分光光度仪进行分析，得出不同时间的吸光度值，用标准曲线 查出其对应不同的浓度，分析浓度随时间的变化关系，以时间为横坐标，浓度为纵坐标，所绘 制出的曲线，即为吸附突破曲线。 4 1 4 实验装置准备 1 、先用蒸馏水将床层洗净，用铁架台将其固定在一适当的位置，保障实验顺利进行； 2 、在填充床层中灌满水，将洗净的玻璃珠放入至小口上沿，剪取一圆形洁净铁丝网 ( d = 1 9c m ) ，平故于玻璃珠表面，后放好准备的玻璃丝少部分；接着再平放另一圆形铁丝网， 上面放玻璃珠约7 8 c m 高： 3 、称取一定质量a c f ( 长条形，长约1 7 c m ，宽约5 6 c m ) ，浸于蒸馏水中煮沸( 约 沈阳化工学院硕士学位论文第四章氯苯酚在活性炭纤维填充床上的吸附突破曲线研究 3 0 m i n ) ，至表面无明显气泡为止，取出，卷成圆筒形用湿装填的方式均匀地置入内柱径为1 8 m m 的玻璃柱中： 4 、取一剪好的圆形铁丝网，平放于活性炭纤维上面，接着放玻璃珠4 5 c m 高； 5 、柱外用夹套水循环保持过程操作在恒温条件下进行：将套管与恒温水浴的进出口接好， 下端入水，上端出水，打开恒温水浴，调节贝克曼温度计至3 0 。c ，接着打开恒温水浴循环泵； 6 、在恒温条件下用蒸馏水将床层浸泡2 小时。 4 i 5 实验流程 图4 1 活性炭纤维填充床吸附流程图 1 上贮液槽2 原液入口3 溢流出口4 玻璃珠5 恒温水浴 6 调节阀7 接样瓶8 活性炭纤维填充床 4 1 6 实验步骤 1 、原液配制：取一个1 0 升的大试剂瓶，放入约4 升蒸馏水( 水温约为3 0 。c ) 。用电子天平 准确称取一定质量的分析纯对氯苯酚，用一定体积蒸馏水溶解后倒入此大试剂瓶中，振荡摇 匀，继续加入蒸馏水( 3 0 左右) 至9 1 0 升溶液： 2 、将配制好的原溶液取样测量其浓度，之后放于上面的贮液槽处； 3 、用填充床出口调节阀调节流过床层的液体流量，调至所需流量； 4 、用阀门调节，使原溶液从上进液口流进填充床，同时记下起始时间； 沈阳化工学院硕士学位论文第四章氯苯酚在活性炭纤维填充床上的吸附突破曲线研究 5 、每隔一段时间( 约l o 分钟) 在固定床下部收集样品约i m l ，通过分光光度法测定吸光 度，计算其浓度； 6 、重复5 的操作，直到出口处溶液浓度达到初始浓度，结束实验； 7 、以时间为横坐标，浓度为纵坐标绘制吸附突破曲线。 4 2实验结果和结论 4 2 1 活性炭纤维床层高度对突破曲线的影响 2 04 06 08 0 时间t 艄n ) 图4 2 活性炭纤维填充床吸附突破曲线( 改变床层高度) 温度：3 0 c p c p 原液浓度：4 9 2 1 0 m g l 溶液流速：15 m l m i n 啪 姗 垂寻 l 言 伽 啪 o 娜 一j营)。挺一 沈阳化工学院硕士学位论文第四章氯苯酚在活性炭纤维填充床上的吸附突破曲线研究 4 2 2 活性炭纤维流体流速对突破曲线的影响 02 04 0 8 01 0 01 2 01 4 0 时间t 艄n ) 图4 _ 3 活性炭纤维固定床吸附突破曲线( 改变流速) 温度：3 0 p c p 原液浓度：4 9 2 1 0 m g l a c f 质量： 1 7 4 2 6 9 9 4 2 3 实验结果 1 、由以上突破曲线可知，a c f 吸附过程存在突越阶段，当过程穿透后则吸 附迅速达到饱和； 2 、由改变柱高的吸附突破曲线可知，在浓度、温度、流量均一定的情况 下，床层长度越短，越早突破，且突破时间越短。这是由于吸附剂质量越小，总 吸附量越小，达到平衡的时间越短。 3 、由改变流速的吸附突破曲线可知，同样在浓度、温度、流量均一定的情 况下，流量越大，越早突破，且突破时间越短。这是由于流量越大，返混程度越 小，对吸附影响越小，使吸附平衡时间缩短。 蚕； 瑚 珊 瑚 伽 伽 o 锄 (1营)。摧 沈阳化工学院硕士学位论文第五章活性炭纤维填充床的碱法再生 第五章活性炭纤维填充床的碱法再生 5 1实验内容 在前面研究活性炭纤维填充床的突破曲线时可知，活性炭纤维经过一定时间达到吸附饱和 后就失去了吸附的能力，因此当工业使用活性炭纤维填充床处理含酚废水时，就要根据工艺要 求来定期更换活性炭纤维或再生，以保证污水处理达到国家废水排放标准的要求。 从经济上讲，活性炭纤维的造价比较高( 现在活性碳纤维单位重量的价格大约比通常用于水 处理的粒状活性炭的价格高一个数量级) ；从活性炭纤维本身的性质和用途上讲，活性炭纤维的 使用寿命也较长：从填充床本身来讲，每一次安装都占用一定时间和工作量；从实际应用上 讲，对于一个污水处理系统，不允许吸附饱和次，就重新安装吸附塔；所以活性炭纤维的再 生研究是必不可少的，同时它也是扩大使用活性碳纤维到大规模水处理的棘手问题之一。 由于活性炭纤维目前多用于气相吸附，所以人们对这方面认识比较多一些，再生的方法也 比较多，主要有：加热，升温，减压，溶剂冲洗或置换”“1 “。等方法。但是对于活性炭纤维吸附 液相的再生方面的报道很少”。本文中是采用碱洗法来完成吸附剂的再生的，此方法具有操作 方便，原料价格低廉，易得，溶液易回收等优点。 本试验中我们主要研究的是活性炭纤维的碱洗法再生能力，及其多次再生以后的吸附能力 的变化。通过我们的研究证实了碱洗法再生能使原来失去活性的活性炭纤维重新具有吸附能 力；而且多次再生后，其吸附能力基本保持不变。 5 2 静态脱附实验 5 2 1 实验原理 在活性炭纤维上酚的吸附量大小依赖于水溶液的p h 值。由于被c 0 2 饱和的水的p h 值约为 5 7 ，我们在前述的实验中采用o o l m o l l 4n a o h 和0 0 1t o o l l 一1h c i 来调节溶液的初始p h 值为57 ，以保障实验的进行。 当a c f 吸附p c p 溶液达到饱和后 的氯苯酚与n a o h 发生反应生成钠盐 吸附剂再生的目的。 基本反应式如下： 0 h 向溶液中加入碱液使溶液的p h 值增大，这时已经吸附 重新溶解回到水溶液中，实现吸附质的脱附，从而达到 + n a o h - 孔+ 人h 。 江 凡h 。 沈阳化工学院硕士学位论文第五章活性炭纤维填充床的碱法再生 5 2 2 实验步骤 1 、对氯苯酚原溶液的配制和标定：称取一定量p e p 溶于蒸馏水，移入1 0 0 0 m l 容量瓶中， 稀释至标线，置于大玻璃瓶中，配成p e p 标准原液。 2 、取一定质量的活性炭纤维，经煮沸去除内部空气，并抽滤去水后移入5 0 0 m l 锥形瓶 中，加入一定体积的氯苯酚溶液，计算此时锥形瓶中溶液初始浓度； 3 、将锥形瓶放入h z s h 恒温水浴振荡器中，设定一定温度( 2 5 ( 2 ) 恒温振荡，记录起 始时间； 4 、每隔1 0 分钟取样一次，测其吸光度a ，通过标准曲线查出浓度c ； 5 、吸附基本达到平衡后，向溶液内加入一定n a o h 溶液，控制溶液中n a o h 浓度在5 左 右： 6 、每隔2 分钟取样一次，测其吸光度a ，通过标准曲线查出浓度c ； 7 、解吸基本达到平衡后，实验停止； 5 2 3 绘制吸附时间t 一溶液浓度c 的曲线图。 02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 0 时间t “i n ) 图5 i吸附时间t 一浓度c 的曲线图 温度：2 5 cp c p 初始浓度：5 5 67 3 m g l 吸附1 5 2 m i n 时加入n a o h 溶液 5 24 实验结论 】、活性炭纤维吸附氯苯酚达到饱和后，向溶液中加入n a o h 溶液，可以使氯苯酚脱附，从 而使吸附剂得到再生； 2 、碱洗法脱附速率较快，再生时间很短； 3 、脱附效率较高，但不可能达到完全脱附。 3 2 藿 枷 蓦 差弓 一1，。邑。蜊疑蜓艇 沈阳化工学院硕士学位论文第五章活性炭纤维填充床的碱法再生 5 3动态脱附实验 5 ，3 1 实验装置及流程 1 、与吸附突破曲线实验一样，先将填充床( 再生塔) 安装好，用原料液进行吸附，并达到 吸附饱和： 2 、用蒸馏水将已达饱和的床层冲洗半小时，将床层空隙中对氯苯酚溶液洗出； 3 、用5 的n a o h 溶液在3 0 c 下先滴流1 小时，再用碱液浸泡半小时； 4 、用盐酸溶液洗涤，洗至微酸性p h 5 - 6 ，之后用蒸馏水冲洗至p h 为6 - 7 ，最后用蒸馏水 冲洗3 0 分钟，此时，可认为床层脱附过程完毕，吸附剂得到再生； 5 、将再生后的填充床重复进行吸附突破实验； 5 3 2 实验条件 3 0 。c 、5 氢氧化钠溶液、再生3 小时、用2 盐酸溶液中和。 5 3 3 实验结果 5 3 3 1活性炭纤维固定床多次再生后突破曲线比较 3 5 0 2 5 0 石2 ” 蓑一 羽 5 0 _ i - - - m - - 如1 , 仵信田 一一第j j 竺1 器生 一：孑p ，一 第二次再生，z ： 十第三次再生 ，片 卜 j 一 f| | 。| 翠 ，锣鼍j o _ r - - 二，l ，7i 4 06 08 0 吸附时间t ( r a i n ) 1 0 0 图5 2 活性炭纤维填充床吸附突破曲线( 再生比较) 沈阳化工学院硕士学位论文第五章活性炭纤维填充床的碱法再生 5 3 3 2 活性炭纤维固定床再生效率求取 再生效率：曼皇亘墨塑盎堕堕堕量 ( 5 1 ) 初次填充床的吸附量 第一次再生后吸附的再生棒罴l o o = 9 0 3 2 第二次再生后吸附的再生效率= 菩淼1 0 0 = 8 6 - 5 4 第三次再生后吸附的再生效率= 罴1 0 0 - 8 5 - 8 8 5 4 实验结论 1 、吸附氯苯酚达饱和后的活性炭纤维可以利用碱洗法得到再生，且再生速 率很快： 2 、在几乎相同实验条件下，对第一次使用的活性炭纤维填充床和经1 次、2 次、3 次再生后脱除氯苯酚的能力进行比较。可以看出，经三次再生，吸附容量 几乎不变，三次再生后a c f 损失很小，再生效率可达8 6 以上。 3 、a c f 虽价格高，但吸附容量大，吸附剂再生速度快，循环使用寿命长， 用量小，处理设备体积小。再生效率很高。因此a c f 是很有使用价值与发展前途 的7 k 处理吸收剂。 沈阳化： 学院硕士学位论文第六章活性炭纤维填充床吸附过程的模拟 第六章活性炭纤维填充床吸附过程的模拟 6 1 模型方程的建立 在通常情况下，由于缺乏对吸附过程的彻底了解，大型吸附装置的设计仍是基于花费很人 的中试工厂的实验数据。为了更有效地利用吸附剂，需要一个理论预测模型来促迸吸附装置的 的设计”“。固定床吸附器的吸附模型”很多，但对于液固吸附体系，为了便于问题的解决，大 多对模型傲了许多简化，如假定吸附为线性。”吸附、孔扩散或膜外扩散为速率控制步骤等且 很少与实验数据关联，模型预测所需传质扩散系数也只能由间歇反应实验获得。近年来随着计 算机和数值计算技术的飞速发展，使人们对液固吸附体系复杂的偏微分方程进行快速的数值运 算成为可能。国内对于这项研究还较少。本文研究建立填充床吸附的预测模型和通过流出睦线 获取传质扩散系数的方法