（环境工程专业论文）活性炭纤维在水处理中的应用研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论支作者签名：盈丛 日期：塑雌 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查i n g l 借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文年u t r ：编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盈瘟导师签名：龇日期：竺! 堑! 苎： 山东大学硕士学位论文 摘要 活性炭纤维( a c t i v a t e dc a r b o nf i b e r , a c f ) 是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种 性能优于粉末活性炭和颗粒活性炭的新型吸附材料。由于其孔径分布窄、微孔丰 富、具有大的比表面积、独特的表面化学性质和吸附脱附速度快等特点，近些年 来得到了迅速发展，广泛应用于废气处理、水处理等领域。本课题对活性炭纤维 吸附污染物的性能进行了研究，并为了进一步提高其吸附能力，对它进行了表面 化学改性，研究了改性前后活性炭纤维吸附水体中磷的性能。 实验以粘胶基活性炭纤维为吸附剂，考察了其吸附水中污染物的能力，本论 文主要分为以下4 部分： 1 对活性炭纤维进行了表征：利用低温液氮吸附等温线对a c f 的孔隙分布 进行了分析；用扫描电镜( s e m ) 和x r d 研究了其表面结构形貌。通过测定知a c f 表面带负电，比表面积达11 0 7m ：儋，碘吸附值为11 4 6m g g ，总孔容积为0 5 4 7 1 c m 。g 。 2 研究了活性炭纤维对模拟废水中苯酚、对氯苯酚、对硝基苯酚的吸附特 性。本文通过静态吸附试验，从吸附热力学探讨了a c f 对苯酚、对氯苯酚、对 硝基苯酚模拟废水的机理，计算了有关的热力学函数，研究了吸附时间、投加量、 p h 值对处理效果的影响。 结果表明a c f 对它们的吸附速率很快，l m i n 的吸附量就可以达到饱和吸附 量的9 9 以上，3 0 分钟后，吸附基本达到平衡。在酸性条件下的吸附效果较好， 去除率是苯酚( 8 7 ) 对氯苯酚( 9 6 ) 对硝基苯酚( 9 9 ) 。在相同的吸附条件下 a c f 对这三种物质的去除效果都比活性炭好，且都大于8 0 ，而活性炭的去除 率都不到5 0 。通过吸附的热力学函数发现，a c f 对这三种物质的吸附都是自 发的放热反应，属于物理吸附，吸附等温线能用d u b i n i n r a d u s h k e v i c h 方程较好 地拟合。 3 研究了活性炭纤维对模拟废水中p b ，c u 的吸附特性。考察了吸附剂的 用量，吸附时间，以及体系p h 值等不同的吸附条件下，活性炭纤维对p b 2 + ，c u 2 + 离子的吸附效果。结果表明在2 5 1 2 时a c f 对p b 2 + c u ：+ 的吸附平衡时间分别为 山东大学硕l 学位论文 9 0 r a i n 和1 8 0 m i n 。p h 值对a c f 吸附金属离了有较大影响，p h 值越高，水f i b p b 2 + 、 c u ! + 的去除率越高。由吸附速率常数求出的a c f 对p b 2 + 、c u ：+ 的表观吸附活化能 分别为3 0 9 2 k j m o l y 卡l 1 9 4 7 k j m o l ，表明a c f 对它们的吸附属于物理吸附。从吸附 等温线可以看出，在所测定的温度范围内，温度对p b 2 + 的吸附效果的影响不大， 但对于c u 2 + 来说温度越高吸附效果越好。它们的吸附等温线更符合l a n g m u i r 型， 属于单分子层吸附。a c f 对p b 、c u 2 + 的吸附热力学函数x g 0 ，表h 羽a c f 对它 们的吸附属于自发反应，卸拘绝对值均在 3 0k j m o l 范围内，吸附均属于物理 吸附。 4 a c f 的改性：为了提高活性炭纤维对水体中磷的吸附性能，采用硫酸亚铁 溶液对其进行改性，用正交实验法分析得到最佳改性条件为：p h 值为3 ， f e s 0 4 - 7 h ：o 的质量浓度为1 0 0 k m 3 ，f e s 0 4 7 h 2 0 和a c f 的质量比为2 5 ，反应 时间3 h 。将改性后的a c f 对模拟含磷废水进行静态吸附，拟合了其吸附等温线， 研究了吸附时间、投加量、p h 值对处理效果的影响。实验结果表明，改性后a c f 的类石墨微晶层面被破坏，其表面不规则地负载了f e 的化合物，使微孔数量减 少，比表面积降低，正电性提高。改性后a c f 对磷的吸附效果较好，去除率可 以达到9 9 。 关键词：活性炭纤维，吸附热力学，吸附动力学，含酚废水，含磷废水，改性， 金属离子 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c t i v a t e dc a r b o nf i b e r ( a c f ) i sak i n do fn o v e lc a r b o n a c e o u sa d s o r b e n t d e v e l o p e di nt h e6 0 so ft h e2 0 们c e n t u r y c o m p a r e dw i t ht h ep o w d e ra n dt h eg r a n u l a r a c t i v a t e dc a r b o n ，a c fh a si t sr e m a r k a b l ea d v a n t a g e s ：e x t r a o r d i n a r yl a r g es p e c i f i c s u r f a c ea r e a , c n o i t n o u sa d s o r p t i v ev a l u e ，s i m p l e rp o r es t r u c t u r e ，s p e c i a lm i c r o p o r o u s s t r u c t u r e ，f a s ta d s o r p t i o nr a t ea n di t se a s eo fh a n d i n g t h e s es t r u c t u r ea n d c h a r a c t e r i s t i c sm a k et h ea p p l i c a t i o no fa c fw i d e s p r e a d l yi nw a s t eg a sa n dw a t e r t r e a t m e n t i nt h i sp a p e r , t h ea d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o rp o l l u t a n t si nw a s t e w a t e rb y a c t i v a t e dc a r b o nf i b e r ( a c f ) w e r es t u d i e d f o rf u r t h e r i m p r o v i n gi t sa d s o r p t i o n c a p a c i t y , a c fw a sm o d i f i e da n dt h ea d s o r p t i o np r o p e r t i e so fa c fb e f o r ea n da f t e r m o d i f i c a t i o nw e r es t u d i e d v i s c o s ea c fw a ss e l e c t e da sa d s o r b e n ta n dt h ea d s o r p t i o n c a p a b i l i t yf o r a d s o r b i n gp o l l u t a n t s i nw a s t e w a t e rw a s i n v e s t i g a t e d i nt h i se x p e r i m e n t t h e e x p e r i m e n tw a sd i v i d e di n t of o u rp a r t s ： 1 c h a r a c t e r i z ea c f ：t h ep o r ed i s t r i b u t i o no fa c fw a sa n a l y z e dt h r o u g ht h e a d s o r p t i o ni s o t h e r m sf o rn i t r o g e n t h es u r f a c ef u n c t i o ng r o u p sa n dm o r p h o l o g yw e r e c h a r a c t e r i z e dw i t ht h eh e l po fs e m p h o t o sa n dx r d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e d t h a tt h es u r f a c eo fa c fa c q u i r e san e g a t i v e l yc h a r g e i t si o d i n ev a l u ea n ds p e c i f i c s u r f a c ea r e aa r e114 6m g ga n d110 7m 2 gr e s p e c t i v e l y ，a n dt h et o t a lp o r ev o l u m ei s 0 5 4 7c m 3 g 2 t h ea d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o rp h e n o l ，p - c h l o r o p h e n o la n dp - n i t r o p h e n o li n w a s t e w a t e rb ya c fw e r es t u d i e d t h ea d s o r p t i o nt h e r m o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n d m e c h a n i s m 。o f p h e n o l ，p - c h i o r o p h e n o la n d p - n i t r o p h e n o lo na c fw e r ei n v e s t i g a t e d b yu s i n gt h eb o t t l e - p o i n tt e c h n i q u e t h ee f f e c tf a c t o r ss u c ha sa d s o r p t i o nt i m e ，t h e a m o u n t so f a c fa n dp ho na d s o r p t i o ne f f i c i e n c yh a v eb e e ns t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er a t eo f a d s o r p t i o nw a sf a s t a f t e r1r a i n ，t h ea d s o r p t i o n a m o u n tc o u l dr e a c ht o9 0 o ft h es a t u r a t i o na d s o r p t i o nc a p a c i t y ，a n dt h ea b s o r p t i o n 3 【i j 东大学硕士掌位论文 e q u i l i b r i u mc o u l db ea c h i e v e da f t e ro n l ) 3 0m i n u t e s a c fp o s s e s s e dg o o da d s o r p t i o n p r o p e r t i e sw h e np h 7 t h eo r d e ro fr e m o v a le f f i c i e n c ) ，w e r ep h e n o l ( 8 7 ) p c h l o r o p h e n o l ( 9 6 ) 酸性染料和硫化染料。尽管a c f 对有机物、色度的去除率均很好，但由于 其价格的限制和再牛技术经济效益问题，不可能用于原始的印染废水处理，而是 比较适合深度处理。 山东大学硕士学位论文 赵少陵等用a c f 电极法对造纸黑液进行处殚，p h 稳定在7 左右，电解一定 时间后，色度之除率达9 4 0 8 。黑液经酸析及聚铝絮凝预处理后再用a c f 电极处 理，可进一步提高c o d e r 及色度去除率，采用“酸化电解( 4 5m i n ) 十f e n t 6 n 试 剂( 6 0 m i n ) ”的综合治坪方案，上述去除率分别达9 4 2 0 和9 9 6 0 ，出水近乎清 澈透明。 徐志达等用a c f 对炼油废水进行处理，结果表明a c f 对c o d e r 、浊度、 硫化物、挥发酚、石油类等具有良好的吸附性能，工艺简单、成本低、用作炼油 化工废水的二级或三级处理具有广阔的前景譬“。 1 3 4 催化反应 由于a c f 具有很高的比表面积，有利于催化剂的分散，即可增大活性相的 作用，又能减少高温烧结失活的可能性i s 2 ，所以适合作催化剂的载体。面且a c f 具有一定的氧化还原能力，它将影响金属催化剂组分的结构和形态以及催化作 用，表现为活载体的作用，因此催化性能优良。目前随着低成本，高强度的a c f 的研究开发，a c f 在催化领域的发展比较迅速。 z h e n y ur y u 等使用a c f 和由硅与二氧化硅化合物得到的一氧化硅在氢气中 反应得到了与原料相同的表面形态并具有较高的比表面积的s i c ，此种s i c 可作 为催化剂载体【5 引。 符若文等研究在a c f 表面混合负载钯和铜，使a c f 在3 0 0 以上的催化温 度对c o n o 混合气体有很高的转化率，在合适的条件下更可达到1 0 0 i q 。 d m i t r ia b u l u s h e v 等在a c f 上负载了2 - 5 n m 的纳米颗粒金，使其在室温下 氧化c o 有明显的效果。a c f 经过h n 0 3 氧化预处理后再在h e 中锻烧或沉积氧 化铁，改性后的a c f 表面主要含有酚经基。再经过h ：处理，此种a c f 沉积金 时得到颗粒大t j , 勺doio刁 山东大学硕士学位论文 下e c 一 凹 一 e x 飞 d ln m 图3 - 2 a c f 的孔径分布图 f i g 3 - 2p o r es i z ed i s t r i b u t i o no fa c fb yd f t 图3 1 为n 2 在a c f 上的吸附等温线，根据b d d t 分类，可知其属于i 型等 温线。由图可以看出，在低压区吸附曲线迅速上升。这是因为在细孔直径接近吸 附分子直径的微孔中，相对的两个孔壁对吸附分子的作用势场发生重叠，使气体 分子的吸附能很大7 1 1 ，使其吸附呈i 型等温线，而当聊。接近1 时，吸附等温 线继续上升，表明了a c f 表面还含有一些中孔或大孔，发生了吸附滞后现象7 2 1 。 根据i u p a c 的分类方法：孔径小于2 n m 的为微孔、2 - 5 0 n m 自, 3 为中孔、大于 5 0 r i m 的是大孔，从图3 2 可以看出a c f 的孔径分布曲线上只有一个极大值，集中 分布于1 6 1 8 n m 范围，由此可知本研究使用的a c f 是一种具有发达微孔结构的 吸附剂，其各性能参数如表3 1 所示。 表3 1 活性炭纤维的基本性质 t a b l e3 - 1s o m ep r o p e r t i e so f a c f 3 2a c f 的x r d 分析 本论文选用研究a c f 的结构。图3 3 是a c f 的x r d 分析图。 山东大学硕士学位论文 哦 c o ，j 、 _ o 1 _ = _ 图3 - 3a c f 中类石墨微晶的x 射线衍射图 f i g 3 3x r d d i f f r a c t i o np a t t e r n so fg r a p h i t e - l i k ec r y s t a l l i t e si na c f 从图3 3 可以看出，a c f 的衍射谱存在两个宽峰，其中强峰在2 0 = 2 4 。附近， 弱峰在2 0 = 4 3 。，分别对应石墨的( 0 0 2 ) 面和( 1o o ) 面，且峰型较宽，表明活性炭纤 维是由部分石墨微晶构成的，存在大量的无定性区和不饱和的边界区域。 3 3a c f 的s e m 分析 图3 - 4 为a c f 放大50 0 0 倍和2 00 0 0 倍的扫描电镜( s e m ) 照片。 ( a ) a c f ( 5o o o )( b ) a c f ( 2 0 0 0 0 ) 图3 - 4a c f 的s e m 照片 f i g 3 4s e mi m a g e so fa c f 由图3 - 4 ( a ) n 以看出，a c f 表面呈凹槽状，纤维本身也有裂缝及细微的斑点， 山东大学硕士学位论文 但从整体上看纤维表面是平滑的；当s e m 放大倍数在2 万倍时，可以观察到a c f 表面的微观结构的大致轮廓，在a c f 的表面分布着众多孔径尺度在几个n m 数 量级的孔，这与对a c f 进行孔径分布分析得到的结果相一致。由于孔隙直接开 1 3 于表面，这就使a c f 具有对小分子物质吸附容量大、吸附速率快的特点【7 3 1 。 3 4a c f 的z e t a 电位分析 为了进一步研究a c f 的表面性质，利用j s 9 4 f 型微电泳仪测定测定a c f 的 z e t a 电位，结果见图3 5 。 e 型 印 日 o t , q 、 样品 图3 - 5a c f 的z e t a 电位 f i g 3 - 5z e t ap o t e n t i a lo fa c f 由图3 5 可以看出，a c f 表面带负电，z e t a 电位在1 9 - - 2 3 m v 范围内，说 明a c f 适合吸附带正电的污染物。 3 5 小结 ( 1 ) 与普通的商品活性炭相比，活性炭纤维属于微孔炭，具有更高的比表面积， 总孔容积为0 5 4 7 c m 3 g ，更适合于吸附分子直径较小的小分子污染物。 ( 2 ) 通过用x r d 对a c f 进行结构结构分析可得出：活性炭纤维是由部分石墨 微晶构成的，存在大量的无定性区和不饱和的边界区域。 ( 3 ) 从对a c f 的扫描电镜可以得出，a c f 表面且呈凹槽状，孔隙直接开口于表 面，这就使a c f 具有对小分予物质吸附容量大、吸附速率快的特点。a c f 的z e t a 电位说明a c f 表面带负电，适合吸附带正电的污染物。 山东大学硕士学位论文 第4 章a c f 对酚类污染物的吸附特性 本章将探讨投加量、吸附时间、p h 和温度等对活性炭纤维吸附酚类污染物 的影响，实验中各污染物溶液的浓度为苯酚3 5 m g l 、对氯苯酚1 0 0 m g l 、对硝 基苯酚2 0 0 m g l 。 4 1a c f 投加量对酚类污染物吸附的影响 将0 0 1 0 9 ，0 0 3 0 9 ，0 0 5 0 9 ，0 0 7 0 9 ，0 0 9 0 9 ，0 1 2 0 9 ，0 1 5 0 9 a c f 分别 加入到5 0 m l 的苯酚、对氯苯酚、对硝基苯酚溶液中，在2 0 c ，p h 为5 、转速 为2 0 0 转m i n 的条件下，振荡3 0 m i n 后测定a c f 对这3 种酚类物质的去除率， 实验结果见图4 1 。 投加量g l 图4 - 1a c f 投加量对去除率的影响 f i g 4 - 1e f f e c to fa d s o r b e n tm a s so nt h er e m o v a lr a t i o n 图4 1 表明在污染物含量一定的情况下，随着a c f 投加量的增加，污染物去除 率也随着增加，当投加量小于l g l 时，去除率增长速度较快：当投加量超过1 5 9 l 时，活性炭纤维对这些酚类污染物的去除率可达9 0 以上：继续增加投加量，去 除率则缓慢增加，因此在以后的实验中确定投加量为l g l 。从图4 1 还可以看出 同等投加量的活性炭纤维对污染物的去除率是苯酚 对氯苯酚 对硝基苯酚，这是 因为，对于这三种吸附质，其在常温下的溶解度为：对硝基苯酚( 1 2 4 9 1 0 0 m l ) 对氯苯酚( 2 7 9 1 0 0 m l ) 善 - t 一 - a 霸 o n p h 值 图卅p h 值对a c f 表面z e t a 电位的影响 f i g 4 - 4e f f e c to fp hv a l u eo i lz e t ap o t e n t i a lo f a c f 由实验可知a c f 对溶液p h 有较强的缓冲能力，当这3 种酚类物质原水的 p h l l 。 由图4 3 可看出，在p h 值小于5 的情况下，a c f 对这3 种酚类物质的去除率都 很高，去除效果是对硝基苯酚 对氯苯酚 苯酚；而当溶液变成碱性时，去除效果 急剧下降。这主要有以下原因：通过测定a c f 的z e t a 电位( 见图4 - 4 ) ，可以发 现当溶液的p h 值 3 时，a c f 的表面带负电，并且随着溶液p h 值的增大a c f 表面的负电性逐渐变大：对于苯酚、对氯苯酚、对硝基苯酚来说，其在2 5 。c 时 的p k a 值分别为9 9 4 、8 4 8 、7 1 5 ，当p h 值小于5 时，它们丰要以分子形式存 山东大学硕士学位论文 在：当p h 值大于5 时，这3 种酚类物质会水解成带负电的阴离子。对于表面带 负电的a c f 来说，由于其和带负电的阴离子之间存在着静电斥力，因此a c f 对 以分子形式存在的酚类化合物的吸附能力远远大于以阴离子形式存在的酚类化 合物，所以当溶液变成碱性时，a c f 对酚类化合物的去除效果急剧下降。 4 4a c f 和活性炭对酚类污染物去除效果的对比 在2 0 c ，p h 为5 、转速为2 0 0 转r a i n 、投加量为l g l ，吸附时间为l h 的条 件下，a c f 和粉状活性炭对这三种物质的去除率如下表4 1 。 表4 - 1 a c f 和活性炭对三种酚类物质去除效果的对比， t a b 4 - lr e m o v a lr a t eo fp h e n 0 1 p - c h l o r o p h e n o la n dp - n i t r o p h e n o lo fd i f f e r e n ta d s o r b e n t s 由表4 1 可知，对这3 种物质，在相同的吸附条件下，a c f 对污染物的去除 率都高于活性炭，这是因为a c f 相对与活性炭具有更高的比表面积和较窄的孔 径分布，更适宜吸附酚类这种小分子有机物。 4 5 吸附热力学研究 4 5 1a c f 吸附酚类污染物的吸附等温线 分别在2 0 c 、3 0 。c 、4 0 。c 澳j 定不同平衡浓度时苯酚、对氯苯酚、对硝基苯 酚在a c f 上的吸附量，得到不同温度下的吸附等温线，见图4 5 。 3 9 山东大学硕士学位论文 c e m g l 一1 b o b 0 吕 、 寺 c c m g l 一1 图4 - sa c f 对苯酚、对氯苯酚、对硝基苯酚的吸附等温线 f i g 4 - 5a d s o r p t i o ni s o t h e r m sf o rp h e n o l ，p - c h i o r o p h e n o la n dp - n i t r o p h e n o lo ua c f 由图4 5 可知，在所测定的温度范围内，温度越高，吸附量越低，升高温度 不利于吸附的进行，而且吸附效果是对硝基苯酚 对氯苯酚 苯酚。这主要是因为， 对于这3 种吸附质，其在常温下的溶解度为：对硝基苯酚( 1 2 4 1 0 0 m l ) 苯酚( 9 4 ) ，因为a c f 的吸附位是一定的，所以当吸附 的分子数相同时，分子量越大，吸附量q m 也越大。 通常吸附等温线可以描述吸附质与吸附剂之间的相瓦作用，因此在吸附剂使 用条件的优化中起着重要作用。目前已有很多种吸附模型，本文分别用l a n g m u i r 、 f r e u n d l i c h 和d u b i n i n r a d u s h k e v i c h 吸附模型对实验数据进行模拟。 以上3 种方程拟合结果列于表4 2 ，各模型的可信度可通过比较相关系数进 行判断。 表4 - 2 吸附等温线方程的拟合参数和相关系数 t a b l e4 - 2p a r a m e t e r sa n dc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t so fd i f f e r e n ta d s o r p t i o ni s o t h e r m s 2 9 3 苯酚3 0 3 3 1 3 2 9 3 对氯 3 0 3 苯酚 3 1 3 对硝2 9 3 基 3 0 3 1 2 1 0 70 0 5 70 9 7 8 1 1 8 0 60 0 5 l0 9 8 0 l1 5 4 70 0 4 50 9 6 3 2 2 2 7 2o 1 4 50 9 8 1 2 1 9 7 80 1 2 30 9 8 2 2 1 5 5 20 1 0 70 9 8 0 2 7 9 3 30 6 l l0 9 5 8 2 7 2 4 80 6 0 00 9 4 3 2 4 9 11 7 1 70 9 9 1 2 4 5 91 5 8 l0 9 9 l 2 4 2 5 2 6 4 0 2 5 7 2 2 5 0 5 3 7 5 7 3 6 9 8 1 3 9 1 4 3 6 4 3 9 7 0 3 6 0 6 1 1 2 2 8 1 0 8 1 0 0 9 9 6 0 9 7 6 0 9 8 0 0 9 8 6 0 9 8 5 0 9 9 2 o 3 3 1 0 3 2 l 0 2 9 9 0 4 2 4 0 4 1 9 0 4 1 3 o 3 6 1 0 3 5 7 1 5 1 3 0 9 9 9 1 5 4 70 9 9 8 1 5 8 0 0 9 9 9 1 5 1 50 9 9 5 1 5 3 60 9 9 6 1 5 5 8 0 9 9 8 1 8 1 00 9 9 7 1 8 5 40 9 9 9 苯酚 3 1 32 7 1 0 00 5 0 30 9 4 23 6 2 61 0 2 4 00 9 9 1 0 3 5 51 8 8 00 9 9 9 -_-ill_h_-_一_-l-一_li_-_l_-_l_-。_-_-。_一 由拟合结果可知，对于a c f 吸附苯酚、对氯苯酚、对硝基苯酚，d - r 方程 的线性相关系数最好，r 二 o 9 9 ，其次是f r e u n d l i c h ，r 3 0 9 7 而l a n g m u i r 的拟合 结果最差，最大仅为0 9 8 2 。 a c f 是一种具有发达微孔结构的吸附剂，因此以微孔吸附容积充填理论为 基础建立的d 尺方程比l a n g m u i r 和f r e u n d l i c h 更好地描述了a c f 对苯酚、对氯 苯酚、对硝基苯酚的吸附模式。微孔吸附容积充填理论认为：7 4 】，由于微孔内部孔 壁之间发生吸附力场的重叠，使微孔内部吸附势显著增强，因此在微孔中被吸附 4 l 山东大学硕士学位论文 的污染物不再像在中孑l 或非孔性表面上发牛单分予或多分子层那样的逐层吸附， 而是按吸附势大小依次实现孔容积的逐步充填。 4 5 2 热力学参数 根据砌刀7 h o f f 方程： l nk ：a s 一a h rr 丁 式4 1 g = - r t l nk 式4 2 可以求出吸附反应的熵变、焓变及不同温度下的吉布斯自由能。式中，k 为 吸附反应的平衡常数，可以根据k h a n 和s i n g h 的方法f 7 5 】，由吸附平衡下的l n 生对 c g ，作图，外推q 。为0 ，得到不同温度下的热力学平衡常数k 。再由l 欣对1 t 作 图，从拟合出直线的斜率和截距求出s 、风结果见表4 3 。 表4 - 3a c f 对苯酚、对氯苯酚、对硝基苯酚的热力学参数 t a b l e4 - 3t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r so fp h e n o l ，p - c h l o r o p h e n o la n dp - n i t r o p h e n o l a d s o r p t i o no na c f 吸附质t k 】斌 a g k j m o l z 全s j ( m o l k ) 1 h k j t o o l 1 f 2 9 30 8 3 92 0 4 苯酚3 0 3o 7 7 51 9 51 5 6 3- 6 6 50 9 7 0 3 1 3 o 6 6 4 1 7 3 2 9 31 3 5 43 3 0 对氯苯酚3 0 31 2 9 63 2 7- 4 4 8 3 1 31 2 3 33 2 l 2 9 31 8 1 8- 4 4 3 对硝基苯酚3 0 3 1 7 9 2- 4 5 l7 1 4 3 131 7 5 6- 4 5 7 4 6 20 9 9 8 - 2 3 4l0 9 8 8 由表4 3 可知，a c f 对苯酚、对氯苯酚、对硝基苯酚的吸附热水0 ，表明 该吸附属于放热反应，因此在图4 5 的实验结果中表现出温度越高，吸附量越低 的现象：由表4 3 还可以看出，h 的绝对值均在 a g 对硝基暮酚，与实验中a c f 对苯酚、对氯苯酚、对硝基苯酚的之 除率依次减小的现象相对应，这是因为a g 绝对值越大，吸附反应的推动力越大， 吸附越容易进行。 4 6 小结 ( 1 ) a c f 对苯酚、对氯苯酚、对硝基苯酚的吸附速率较快，l m i n 的吸附量就 可以达到饱和吸附量的9 9 以上，3 0 分钟后，吸附基本达到平衡。实验显示， 在酸性条件下的吸附效果较好，a c f 对酚类物质的去除率分别是苯酚( 8 7 1 对 氯苯酚( 9 6 ) 0 9 9 5 。由求得的、a g 可知， a c f 对苯酚、对氯苯酚、对硝基苯酚的吸附是自发的放热反应，属于物理吸附。 4 3 山东大学硕七学位论文 第5 章a c f 对金属离子的吸附特性 本章将探讨投加量、吸附时间、p h 和温度等对活性炭纤维吸附铅和铜离子 的影响。 5 1a c f 投加量对金属离子的影响 将0 o l o g ，0 0 3 0 9 ，0 0 5 0 9 ，0 0 7 0 9 ，0 1 0 0 9 ，0 1 2 0 9a c f 分别加入到5 0 m l 原水浓度为0 7 3 9m m o l l 的p b ：+ 和0 7 3 8 m m o l l 钓c u 2 + 溶液中，在2 5 c ，p h 为 5 、转速为2 0 0 转m i n 的条件下，振荡4 h 后，测定a c f 对p b 2 + 和c u 2 + 的去除率， 实验结果见下图5 1 。 投加量g l - l 图5 - 1a c f 投加量对去除率的影响 f i g 5 - 1e f f e c to fa d s o r b e n tm a s so nt h er e m o v a lr a t i o n 由图5 1 可知，a c f 对p b 2 + 和c u 2 + 的去除率随其投加量的增加而提高，当 投加量超过1 4 9 l 时，去除率增加缓慢；拦t ：d n - i ；为2 4 9 l 时，a c f 对p b 2 + 和c u 2 + 的去除率可分别达到9 9 7 和9 9 o ，出水浓度分别降至0 4 2 8 m g l 和0 4 9 5 m g l 。 在以下的实验中选取投加量为l g l ，实际应用中，可以根据具体要求调整投加 量。 5 2 吸附时间对a c f 吸附金属离子的影响 将a c fd l i , x 至t l5 0 m l 原水浓度为0 6 0 9 m m o l l 的p b ：+ 和0 7 3 8 m m o l l 的c u 2 + o 0 o o o o o o o o o o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 装*媒一 山东大学硕士学位论文 溶液中，在2 5 。c ，p h 为5转速为2 0 0 转m i n 的条件下，振荡不同的时间后测 定a c f 对p b ：+ 和c u ：+ 的去除葺夏，实验结果见下图5 - 2 。 时f 9 m i n 图5 - 2 吸附时间对去除率的影响 f i g 5 - 2e f f e c to fa d s o r p t i o nt i m eo nt h er e m o v a lr a t i o n 由图5 2 可知，a c f 对p b 2 + 和c u 2 + 的去除率随着吸附时间的增加而提高。 a c f 吸附p b 2 + 所需的平衡时间为6 0 r a i n ，小于c u 2 + 的1 8 0 m i n 。这是因为p b 2 + 具 有1 8 + 2 的电子层结构，其极化作用明显大于最外层只有1 8 个电子的c u 2 + ；p b 2 + 的离子半径小于e l l 2 + ，极化作用越强，离子半径越小，吸附的选择性越大，所以 p b 2 + 比c u 2 + 更容易被a c f 吸附，因此吸附平衡时间较短。为保证吸附达到平衡， 将以后实验中的a c f 吸附p b 2 + 、c u 2 + 的时间分别确定为1 2 0 m i n 和2 4 0 m i n 。 5 3p h 值对a c f 吸附金属离子的影响 在2 5 c ，p h 值为1 - - 6 的条件下考察a c f 对5 0 m l 原水浓度为0 7 3 9 m m o l l 的p b 2 + 和0 6 9 8 m m o l l 的c u 2 吸附的效果，结果见下图5 3 。 山东大学硕士学位论文 誉 瓣 z 制 芝 静 盘 烈 原水p h 原水p h 图5 3p h 值对去除率的影响 f i g 5 - 3e f f e c to fp hv a l u eo nt h er e m o v a lr a t i o n 由图5 3 可知，溶液的p h 值是影响a c f 吸附效果的重要因素，在p h 4 的弱酸至中性溶液中，a c f 对p b 十、c u ：+ 的吸附量大大增加，有利于吸 附；当p h 到6 时a c f 对p b 2 + 、c u 2 + 的去除率进一步增大，都大于9 0 ，溶液 开始有沉淀出现。这是因为p b + 、c u 2 + 的k s p 分别为1 2 1 0 。15 和2 2 x1 0 。o ，在 不考虑离子强度的影响时，当p h 值增高，溶液中o h 离子增加，使p b 2 + 、c u 2 + 更易形成p b ( o h ) 2 、c u ( o h ) 2 沉淀。 5 4 吸附动力学研究 本章通过进行动力学研究，估算了吸附速率，推测了反应机理，推导了速率 山东大学硕士学位论文 表达式，建立了适宜的动力学模型。适宜的动力学模型能够很好地拟合实验过程， 计算得到的动力学参数对于技术应用具有重要实际意义吲f 7 ；i 。因此，在研