活性炭吸附试验.doc

实验名称：活性炭吸附实验 姓名：王 义学号：3071401071专业： 环境工程 姓名： 王 义 学号： 3071401071 日期： 2010-4-16 地点： 中心北楼513 实验报告课程名称： 水处理工程实验 指导老师： 胡宏 成绩：_实验名称： 活性炭吸附试验 类型：_同组学生姓名： 陈巧丽、林蓓 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求装 订 线在相界面上，物质的浓度自动发生变化的现象称为吸附。吸附是一种界面现象，发生在两个相的界面上（它可发生在气液、气固、液固两相之间），活性炭吸附就是利用活性炭作为吸附剂，使污水中的一种或多种物质被吸附而除去的方法。在活性炭吸附过程中，活性炭的比表面积，微孔的大小以及碳的表面化学特性起着主要作用。同时吸附质在水中的溶解度、分子极性、分子量大小及pH 的高低，温度的变化和接触时间都对吸附效率有一定的影响。通过本实验希望达到下述目的：加深理解吸附的其本原理；掌握影响吸附效率的因素试验；掌握活性炭吸附公式中常数的确定方法。本实验要求测定某一种吸附装置的最佳工作条件，计算出最佳吸附效率。二、实验内容和原理由于吸附是一种表面现象，所以与表面张力、表面能的变化有关。如某溶质能降低溶液的表面张力，产生正吸附；如某溶质能增加溶液的表面张力，产生负吸附，或称解吸，不仅表面不能吸附溶质，反而有排斥作用。活性炭对水中杂质的吸附既有物理吸附现象，也有化学吸着作用。物理吸附是吸附质与吸附剂之间的分子引力产生的吸附，是放热反应，吸附比较没有选择性，在低温就能进行，也较易解吸。化学吸附是吸附质与吸附剂之间由于化学键力发生了化学作用，使得化学性质改变。化学吸附的特征为吸附热大，相当于化学反应热；有选择性；化学键力大时，吸附不可逆。活性炭是用木材、煤、果壳等含碳物质在高温缺氧条件下活化制成，比表面积大（500-1700m2/g）。活性炭吸附是利用活性炭的物理吸附、化学吸附、氧化、催化氧化和还原等性能去除水中污染物的水处理方法。水处理过程中使用的活性炭有粉末炭和粒状炭两类。粉末炭采用混悬接触吸附方式，而粒状炭则采用过滤吸附方式。活性炭吸附法广泛用于给水处理及废水二级处理出水的深度处理。其主要优点是处理程度高，效果稳定；缺点是处理费用高昂。当吸附和解吸处于动态平衡状态时，称为吸附平衡。这时活性炭和水之间的溶质浓度，具有一定的分布比值。此时吸附质在溶液中的浓度就称为平衡浓度。吸附剂的吸附容量q与吸附平衡时溶液浓度C的关系通常用Fruendlich表达式来比较不同温度和不同溶液浓度时的活性炭的吸附容量，即：，则 式中：qe吸附容量（mg/g）；K与吸附比表面积、温度有关的系数；n与温度有关的常数，n1；C0水中被吸附物质原始浓度（mg/l）；C吸附平衡时的溶液浓度（mg/l）；M活性炭投加量（g/l）；三、主要仪器设备（一）实验装置本实验间歇性吸附采用三角烧杯内装入活性炭和水样进行振荡方法，连续流式采用有机玻璃柱内装活性炭、水流自上而下连续进出方法。图1 连续流吸附实验装置示意图（二）实验设备及仪器THZ82型振荡器1台；pHS型pH计1台；活性炭柱 901000mm 有机玻璃管3根；活性炭 柱状活性炭水样调配箱105L 1个；测COD仪器1套；温度计刻度01001支；水泵1台；四、操作方法和实验步骤 连续流吸附实验步骤1、 熟悉活性炭吸附柱的流程、阀门的位置和开阀的次序；2、 测定原染料废水的pH、吸光度，记入表中；3、 启动水泵，打开活性炭吸附柱进水阀门，使原废水进入活性炭柱，调节流量，控制接触时间为10min，待运行稳定10min后，取活性炭柱出水测定pH值及色度（吸光度）；4、 调节流量，分别控制接触时间为20min、30min、40min、50min工况，相应的运行稳定时间分别为20min、30min、40min、50min后，取活性炭柱出水分别测定pH值及色度（吸光度）；5、 停泵，关闭活性炭柱进出水阀门。五、实验数据记录和处理本小组实验中印染废水的染料为分散染料，其最大吸收波长（分光光度法）为570nm；另一实验小组的为活性红染料，其最大吸收波长（分光光度法）为540nm；实验日期：2010年4月16日 水温：12.1（环境温度约为15） 活性炭体积：6L表1 活性炭吸附试验-不同染料出水数据表序号接触时间/min废水流量L/h分散染料活性红染料pH吸光度pH吸光度10(原水样)7.890.0547.070.146210369.030.0517.570.106320189.140.0517.720.102430129.310.0508.500.0955409.09.380.0498.630.0896507.29.390.0498.780.083表2 活性炭吸附试验-色度去除率数据表接触时间/min1020304050分散染料5.56%5.56%7.41%9.26%9.26%活性红染料27.40%30.14%34.93%39.04%43.15% 六、实验结果与分析【活性炭吸附穿透曲线及接触时间与色度去除率关系曲线分析】由图1、图2可以看出：随着接触时间的增大，染料废水的吸光度均逐渐变小，色度去除率不断增大；但相比之下，活性红染料的色度变化比较明显且趋于均匀减小，色度去除率随接触时间的增加而均匀增大，两者线性关系很好（r=0.997），而分散染料在接触时间为20min开始，色度的减小、色度去除率的增大均不明显；分散染料随着时间的增长其色度去除率已趋于稳定，可能已经达到饱和（最大吸附量），而活性红染料的仍呈增大趋势，可见活性炭对活性红染料的色度去除效果比其对分散染料的要好得多。以上均说明活性炭对不同类型，特别是不同结构的染料的吸附作用不同，活性炭吸附是利用活性炭的物理吸附、化学吸附、氧化、催化氧化和还原等性能去除水中污染物的水处理方法，并且一般以物理吸附为主，物理吸附是吸附质与吸附剂之间的分子引力产生的吸附。活性炭基本可以看成是一种非极性的吸附剂，对水中非极性物质的吸附能力大于极性物质，吸附容量随分子量的增大而增加；不饱和键的有机物较饱和的易吸附，芳香族的有机物较脂肪族的有机物易于吸附。活性染料的特点是分子中含有一个或几个活性基，有偶氮型、蒽醌型、酞膏型等，母体上有较多的亲水基团，在水中溶解性很好；而分散染料分子量较小，结构上不含水溶性基团，虽含有极性基团（如羟基、氨基、羟烷氨基等），仍属非离子型染料。【活性炭吸附接触时间与出水pH关系曲线图分析】由图3可看出，随着接触时间的增加，分散染料、活性红染料的出水pH均增大，但是活性红染料随时间的增长其pH变化较大，而分散染料的出水pH自接触时间为20min开始增大趋势就不明显。本实验中活性炭为高温活化的活性炭，具有碱性官能团，在吸附过程中会释放OH-，使活性炭吸附作用的废水，其出水pH上升，从图1-2及其分析可知，活性炭对活性染料的吸附性能比较好，导致活性染料pH变化比较大，对分散染料，自接触时间为20min始活性炭的吸附作用就不明显，因而其出水pH变化自接触时间为20min始趋于平缓，图4的曲线变化也说明这一点。【误差分析】本实验中实验误差主要出现在废水的流量控制、取样及其测定：1) 本实验中染料废水流量是通过转子流量计来控制，实验温度约为15而液体转子计刻度是用20的水进行标定的，因而废水的实际流量与记录值间存在一定误差；2) 实验过程中废水流量总在不停波动，出水取样也会对活性炭柱的运行产生一定影响；且系统稳定所需时间不可知，由于实验时间有限而估计的稳定时间可能无法使系统足够稳定；3) 实验中所使用的各类仪器设备本身带入的误差，如pH计、分光光度计的计量误差，取样烧杯本身的洁净度等。七、讨论、心得u 本实验中水样pH值、色度（用分光光度计测得的吸光度表示）的测定是本实验的关键，为减少各操作步骤带入的实验误差，应注意如下事项： 1) 进入活性炭吸附柱的废水浑浊度较高时，应进行过滤去除杂质的预处理；2) 用转子流量计控制废水流量的准确性有限，实验中要经常关注其读数变化，确保废水流量的稳定；3) 活性炭的吸附达到稳定需要一定时间，取样前尽量保证足够的稳定时间；4) 取样用的烧杯尽量确保其足够洁净，减少测定误差；5) 为保证实验数据的精密度，处理前后的废水取样应尽量由同一人完成；u 影响吸附的因素有哪些？吸附是溶剂、溶质（吸附质）和固体吸附剂三者之间的作用，因此吸附质、吸附剂和溶液的性质都会对吸附过程产生影响。 溶质（吸附质）的性质溶质和溶质之间的作用力：溶质在水中的溶解度愈大，溶质对水的亲和力就愈强，就不易转向吸附剂界面而被吸附，反之亦然。溶质分子的大小：Tranbe定律认为，大尺寸疏水分子的斥力增加了水-水间的键合，因此随着吸附质分子量的增加，吸附量增加。但吸附速率受颗粒内扩散速率控制时，吸附速率随着分子量的增加而降低。电离和极性：简单化合物、非解离分子较离子化合物的吸附量大，但随着化合物结构的复杂化，电离对吸附的影响减小；衡量溶质极性对吸附的影响，服从极性相容的原则。 吸附剂的性质吸附发生在表面上，吸附剂比表面积（受吸附剂的孔径、颗粒度等影响）越大，吸附能力就越强。吸附剂制造方法不同，其吸附性能不同；吸附剂的极性对不同吸附质的吸附效果也不同。 溶液的性质pH值：pH对吸附质在溶液中存在的形态和溶解度均有影响，因而对吸附性能也产生影响。活性炭一般在酸性条件下，吸附率高；最佳PH值由试验确定；共存物质：影响较复杂，可相互诱发或相互干扰或独立吸附；温度：温度升高有利于物理吸附（放热反应）。 接触时间：与吸附速度有关，速度越低，达到平衡时接触时间就越短。u 动态吸附柱试验有何作用？被处理液与吸附剂搅拌混合，被处理液没有自上而下流过吸附剂的吸附操作叫静态吸附；被处理液通过吸附剂自上向下流动的吸附叫动态吸附。 与动态吸附柱相比，静态吸附柱（间歇吸附）需要将油类，悬浮物去除的预处理，而且操作难度较大（操作失误可能会导致炭的流失），一般比较少用；动态吸附柱是操作简便，是常用的活性炭吸附法。动态吸附试验可用于定性或定量研究各因素对吸附作用的影响，从而探索出吸附效果最佳的吸附剂及pH、温度等操作条件；还可研究吸附剂对不同吸附质的吸附效果差异等。u 不同类型的染料废水的脱色比较联系之前做过的混凝试验可知，同种去色方法对不同类型的染料废水的脱色效果是不同的。分散染料是一种水溶性很低、疏水性较强的非离子型染料，在水中呈分散的微粒状态，不含黄酸基、羧酸基等亲水性基团，使其可被低聚合度的多核络离子发挥压缩双电层电中和作用，被高聚合低电荷无机高分子在胶体杂质微粒之间粘结架桥使胶体脱稳凝聚，被铝盐、铁盐的难溶氢氧化物沉淀生成的微小絮体吸附和粘结、卷扫它们与水分离、凝聚，脱色率都在90%以上；但本活性炭吸附实验也说明活性炭对分散染料的脱色效果较差。直接染料是有黄酸基或羧酸基的偶氮染料，具有直线展开和芳环排列同平面的特点，在水中具有较大的聚集倾向。一般都溶于水，所以在混凝处理时难度加大，投加量有大幅度增加，而脱色率却有所降低，其在水溶液中染料分子可通过各基团的氢键相互缔台，有聚集倾向，也能被混凝去除，其处理难度界于分散等染料和活性染料之间。活性染料的特点是分子中含有一个或几个活性基。有偶氮型、蒽醌型、酞膏型等，母体上有较多的亲水基团，在水中溶解性很好。活性染料在水中的分散状态随其结构而变。分子量大或者芳环呈平面者易发生缔合，形成大分子基团而易被除去；分子量小且芳环不在一个平面内，多以接近真溶液的状态存在，混凝去除率下降，不能被大多数混凝剂沉降处理，有实验发现只有硫酸亚铁和复合亚铁对其混凝沉降有效，废水脱色率也比较高，但处理的pH范围也较窄，说明活性染料并不适合采用混凝的方法脱色，但是本实验却说明活性炭吸附对于活性染料具有较好的吸附脱色效果。八、相关拓展随着活性炭的应用范围日趋广泛，活性炭的回收开始得到了人们的重视。用过的活性炭无法回收，除了会增加废水处理费用外，还会对环境造成二次污染。因此，活性炭的再生具有格外重要的意义。 传统活性炭再生方法热再生法：目前应用最多、工业上最成熟的活性炭再生方法，一般分为干燥、高温炭化及活化三阶段。干燥阶段主要去除活性炭上的可挥发成分，高温炭化阶段是使活性炭上吸附的有机物沸腾、汽化脱附或分解脱附，活化阶段往反应釜内通入CO2、CO、H2或水蒸气等气体以清理活性炭微孔，使其恢复吸附性能，活化阶段是整个再生工艺的关键。热再生法虽然有再生效率高、应用范围广的特点，但在再生过程中，须外加能源加热，投资及运行费用较高。生物再生法：利用经驯化过的细菌解析活性炭上吸附的有机物，并进一步消化分解成H2O和CO2，有好氧法与厌氧法之分。活性炭本身的孔径很小，通常认为再生过程中会发生细胞自溶现象，活性炭吸附酶在炭表面形成酶促中心，促进污染物分解达到再生的目的。生物法简单易行,投资和运行费用较低,但所需时间较长,受水质和温度的影响很大。湿式氧化再生法：在高温高压的条件下，用氧气或空气作为氧化剂将处于液相状态下活性炭上吸附的有机物氧化分解成小分子。实验获得的活性炭最佳再生条件为：230C，再生时间1h，充氧pO20.6MPa，加炭量15g，加水量300mL。再生效率达到(455)%，经5次循环再生，其再生效率仅下降3%。传统的活性炭再生技术除了各自的弊端外，通常还有三点共同的缺陷：(1)再生过程中活性炭损失往往较大；(2)再生后活性炭吸附能力会有明显下降；(3)再生时产生的尾气会造成空气的二次污染。因此，人们或对传统的再生技术进行改进，或探索全新的再生技术。目前新兴的活性炭再生技术有溶剂再生法、电化学再生法、超