活性炭吸附.doc

环工综合实验活性炭吸附实验报告环境科学与工程学院实验中心实验题目活性炭吸附实验类别综合实 验 室实 验 时 间实验环境温度: 17.9湿度:37%同组人数一、 实验目的1、通过实验加深理解活性炭吸附的基本原理2、掌握用间歇式静态吸附法确定活性炭等温吸附式的方法二、 实验仪器及设备振荡器、秒表、锥形瓶、分光光度计等三、实验原理体系中化学和物理性质均匀且能采用常规方法分离的部分称为相。不相混溶的两相接触时形成的从一相到另一相的过渡区域称为界面。界面有固气、固液、固固、气液和液液界面五种。吸附是指在固相-气相、固相-液相、固相-固相、液相-气相、液相-液相等体系中，某一相的物质密度或溶于该相中的溶质浓度在界面上发生改变的现象。当它们在界面层中富集(即界面层中的浓度大于在体相中的浓度)时称为正吸附；反之，称为负吸附。大多数有实际应用价值的吸附作用是正吸附。吸附作用是一种界面现象。 吸附作用一般为两种形式，即：物理吸附和化学吸附。物理吸附主要表现为吸附质与吸附剂之间通过物理性力(如：范德华力、氢键力等)相结合，具有吸附热小、速度快、无选择性、过程可逆放热以及吸附为单层/多层的特点，吸附过程受吸附质分子尺寸与吸附剂的孔结构控制(分子筛作用)；化学吸附实质是吸附质与吸附剂表面基团之间发生化学反应，以化学键力相结合，具有吸附热大、单层吸附与脱附困难等特点，吸附过程受吸附剂的表面化学特性、吸附质及溶剂的化学性质等因素影响。 在界面上已被吸附的物质或在体相中可以被吸附的物质统称为吸附质(adsorbate)，能有效地从气相或液相中吸附某些组分的固体物质称为吸附剂(adsorbent)，吸附剂具备的共同特点是：大的比表面、一定的表面结构和适宜的孔结构，对吸附质有强烈的选择性吸附能力，不与介质发生化学反应，制备工艺方便，易再生和有良好的力学强度等。 吸附剂对吸附质的吸附性能不仅与吸附质分子直径、吸附剂孔径大小相关，还与吸附剂的比表面积、孔结构、及其表面化学性质等有关。吸附等温线（Adsorption Isotherm）: 指一定温度条件下吸附平衡时单位质量吸附剂的吸附量 q与吸附质在流体相中的分压p（气相吸附）或浓度c（液相吸附）之间的关系曲线。qc液相吸附温度一定qp气相吸附温度一定水中苯酚在树脂上的吸附等温线 水中苯酚在活性炭上的吸附等温线吸附机理：吸附质被吸附剂吸附的过程一般分为三步：（1）外扩散（2）内扩散（3）吸附外扩散：吸附质从流体主体通过扩散传递到吸附剂颗粒的外表面。因为流体与固体接触时，在紧贴固体表面处有一层滞流膜，所以这一步的速率主要取决于吸附质以分子扩散通过这一滞流膜的传递速率。内扩散：吸附质从吸附剂颗粒的外表面通过颗粒上微孔扩散进入颗粒内部，到达颗粒的内部表面。吸附：吸附质被吸附剂吸附在内表面上。对于物理吸附，第三步通常是瞬间完成的，所以吸附过程的速率由前二步决定。活性炭具有良好的吸附性能和化学稳定性，是目前国内外应用较广泛的一种非极性的吸附剂。由于活性炭为非极性分子，因而溶解度小的非极性物质容易被吸附，而不能使其自由能降低的污染物既溶解度大的极性物质不易被吸附。活性炭的吸附能力以吸附容量qe表示：qe=X/M=V(Co-C)/M在一定的温度条件下，当存在于溶液中的被吸附物质的浓度与固体表面的被吸附物质的浓度处于动态平衡时，吸附就达到平衡。实验原理问答题：1、吸附剂的比表面积越大，其吸附容量和吸附效果就越好吗？为什么？答：比表面积越大，不一定吸附容量就越好。吸附剂的比表面积越大，只能说明其吸附能力较大，并不代表吸附容量就越大。吸附容量的大小还与脱吸速度有关，如果脱吸速度很快，就算吸附能力再大，吸附容量也还是没多大提升。吸附容量是一个动态平衡的过程。吸附剂的良好吸附性能是由于它具有密集的细孔构造，与吸附有关的物理性能有：a.孔容（VP）：吸附剂中微孔的容积称为孔容，通常以单位重量吸附剂中吸附剂微孔的容积来表示(cm3/g)；b.比表面积：即单位重量吸附剂所具有的表面积，常用单位是m2/g；c.孔径与孔径分布：在吸附剂内，孔的形状极不规则，孔隙大小也各不相同。细孔愈多，则孔容愈大，比表面也大，有利于吸附质的吸附。粗孔的作用是提供吸附质分子进入吸附剂的通路。 吸附过程并不是吸附质被吸附固定在吸附剂上静止过程,而是一个始终在做频繁物质交换的动态过程。吸附质在吸附剂上有相同停留时间的条件下,吸附剂比表面积更大,甲醛分子与吸附剂接触的机会就更多,相应吸附量就越大。因此,提高吸附质停留时间并增加吸附剂比表面积是提升吸附效果的根本措施。但是吸附质进入吸附剂开孔的最小通过距离对于吸附性能是非常关键的控制因素,而吸附质最小通过距离则同吸附质分子直径直接相关。如果吸附剂开孔的孔径过小,吸附质最小通过距离大于吸附剂的开孔,则吸附质不能进入孔内,从而不能实现吸附；如果吸附剂开孔孔径过大,虽然吸附质可以进入孔内,但同时吸附质同时也可以容易的从孔中出来,吸附剂也无法很好的将吸附质富集在其孔内；因此，只有吸附剂开孔略大且并不过大于吸附质最小通过距离时,才能有很好的吸附效果。 另外，表面极性对于是吸附剂的吸附性能非常重要,而且吸附剂表面的官能团可以使吸附剂具有选择吸附性。通常，吸附剂表面含氧官能团越丰富，吸附极性分子的效率越高。2、目前对吸附剂改性以增加吸附效果研究较多，请问，吸附剂改性的方法有哪些？为何改性后可以增加吸附效果？答：表面改性也称表面处理，是指为达到某种目的，任何使固体表面性质发生变化的各种措施。固体表面改性后，由于表面性质发生了变化，其它一系列性质（狭缝、湿润、分散）都将发生变化。通常的改性方法如下：（1）无机粉体、增强材料和复合材料的改性：用硅烷偶联剂处理；用钛酸酯等偶联剂处理；用表面活性剂覆盖处理；等离子体处理。（2）高聚物基体的改性：接枝改性；等离子体处理。比如：活性炭虽是非极性吸附剂，其表面含有相当多的含氧基团，若硅烷化处理使极性部位憎水化，对水的接触角增大，有利于自水溶液中吸附非极性有机物；反之，若氧化处理增加炭表面的含氧基团，使亲水性增强，则能提高自非水溶剂中吸附极性有机物能力。改性改变吸附效果机理：吸附作用一般为两种形式，即:物理吸附和化学吸附。物理吸附主要表现为吸附质与吸附剂之间通过物理性力(如:范德华力、氢键力等)相结合,具有吸附热小，速度快，无选择性，过程可逆放热，以及吸附为单层/多层的特点,吸附过程受吸附质分子尺寸与吸附剂的孔结构控制(分子筛作用)；化学吸附实质是吸附质与吸附剂表面基团之间发生化学反应，以化学键力相结合，具有吸附热大，单层吸附与脱附困难等特点，吸附过程受吸附剂的表面化学特性，吸附质及溶剂的化学性质等因素影响。吸附剂改性就是通过物理化学方法改变吸附剂与吸附质之间的物理性力和化学键力，从而影响吸附效果。四、实验步骤1绘制标准曲线（1）配制50mg/L活性艳蓝溶液。（2）用紫外可见分光光度计对样品在500 - 750 nm 波长范围内进行全程扫描，确定最大吸收波长。一般最大吸收波长为662 - 667nm。（3）测定标准曲线（活性艳蓝浓度0- 20mg/L时，浓度C 与吸光度A 成正比）。分别移取0mL,1mL, 2mL，4mL，8mL，16mL，32mL的50mg/L直接蓝溶液于100mL比色管中，加水稀释至刻度，在上述最佳波长下，以蒸馏水为参比，测定吸光度。以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线，拟合出标准曲线方程。2吸附等温线间歇式吸附实验步骤（1）将活性炭放在蒸馏水中浸24h，然后放在105 烘箱内烘至恒重，再将烘干后的活性炭压碎，使其成为200目以下筛孔的粉状炭。因为粒状活性炭要达到吸附平衡耗时太长，往往需数日或数周，为了使实验能在短时间内结束，所以多用粉状炭。（2）在锥形瓶中，装入20mg的已准备好的粉状活性炭。（3）在锥形瓶中各注入100mL水，然后按下列体积加入浓度为50mg/L的直接蓝溶液：0mL，12mL，24mL，36mL，48mL，60mL，90mL，120mL。（4）将锥形瓶置于振荡器上振荡30min，然后用离心法移除活性炭，取上清液测吸光度。（5）计算各个锥形瓶中分散蓝的去除率、吸附量。并确定弗兰德里希常数。实验注意事项：从离心管中取上清液用移液管，莫直接倒出，避免底部活性碳再次泛起。五、实验记录及原始数据1、标准曲线的绘制序号1234567溶液体积（ml）012481632浓度（mg/L）00.5124816吸光度Abs00.0020.0050.0070.0110.0210.042、溶液吸光度的测定实验序号12345678溶液体积（ml）0122436486090120溶液浓度（mg/L）05.359.6713.2316.2118.7523.6827.27吸光度（Abs）0.1560.040.0280.0410.0470.0520.0610.07六、数据处理及结论1、染料的吸光度标准曲线2、吸附容量曲线的测定实验序号12345678 吸附后浓度64.46 16.13 11.13 16.54 19.04 21.13 24.88 28.63 3、实验数据分析。 由吸附容量实验数据可以看出，吸附后的浓度比吸附前的实际浓度还要的，说明实验数据有问题，实验失败了。 分析失败原因，可能是离心时间不够长，或者是离心机分离效果不佳，还有可能是因为离心后取出测吸光度的时候，动作太大，使得沉淀的活性炭粉末再次上浮，导致吸光度变大，使实验数据比理论大。 解决办法：1）使用粒径较大的活性炭进行实验。2）离心分离时间适当长一点。3）测吸光度的时候，注意不要使沉淀上浮。七、思考题1.工业上常用的吸附剂有哪些？应用上有什么区别。答：目前最常应用的吸附剂有:1)碳质为基本成分的吸附剂，如活性炭、活性碳纤维、炭黑、碳分子筛等；2)多孔金属和非金属氧化物吸附剂，如:硅胶、氧化铝、沸石分子筛等；3)树脂吸附剂，如:非极性、弱极性和极性吸附树脂等。应用上的区别举例如下：1.硅胶：硅胶是一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，分子式为SiO2.nH2O，为一种亲水性的极性吸附剂。工业上用的硅胶分成粗孔和细孔两种。粗孔硅胶在相对湿度饱和的条件下，吸附量可达吸附剂重量的以上，而在低湿度条件下，吸附量大大低于细孔硅胶。硅胶对水有较强的亲和力，是一种对微量水深度干燥用的吸附剂。2.活性炭、活性碳纤维（ACF）：活性炭是将木炭、果壳、煤等含碳原料经炭化、活化后制成的。活性炭含有很多毛细孔构造所以具有优异的吸附能力。因而它用途遍及水处理、脱色、气体吸附等各个方面。 ACF采用聚丙烯睛、粘胶、沥青、酚醛树脂等制备，吸附特点为比表面积大、吸附容量大、对低浓度物质的吸附能力特别优良，即使对痕量级吸附质仍保持很高的吸附率；吸附和脱附的速率都快；ACF对气体的吸附一般能在数十秒或几分钟达到平衡，脱附路径短，脱附速率也快:吸附选择性强；生成碳粉尘少，容易再生和再利用;兼有纤维的各种特性，能制成纤维束、纸、布和毡等形状，且性能良好；并且可与其他性能的材料形成复合材料。3.沸石分子筛：又称合成沸石或分子筛，其化学组成通式为M2()M()O.Al2O3.nSiO2.mH2O。沸石的特点是具有分子筛的作用，它有均匀的孔径，如3A0、4A0、5A0、10A0细孔。有4A0孔径的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三个碳以上的正烷烃。它已广泛用于气体吸附分离、气体和液体干燥以及正异烷烃的分离。 4.碳分子筛：实际上也是一种活性炭，它与一般的碳质吸附剂不同之处，在于其微孔孔径均匀地分布在一狭窄的范围内，微孔孔径大小与被分离的气体分子直径相当，微孔的比表面积一般占碳分子筛所有表面积的90%以上。碳分子筛的孔结构主要分布形式为：大孔直径与碳粒的外表面相通，过渡孔从大孔分支出来，微孔又从过渡孔分支出来。在分离过程中，大孔主要起运输通道作用，微孔则起分子筛的作用。碳分子筛在空气分离制取氮气领域已获得了成功，在其它气体分离方面也有广阔的前景。5.合成吸附树脂：吸附树脂为纯的有机液体聚合而成，能有效地清除陆地泄漏物和水体的不溶性漂浮物。常用的合成吸附剂有聚氨酯、聚丙烯和有大量网眼的树脂。聚氨酯有外表敞开式多孔状、外表面封闭式多孔状及非多孔状几种形式。所有形式的聚氨酯都能从水溶液中吸附泄漏物，但外表面敞开式多孔状聚氨酯能像海绵一样吸附液体（吸油）。 聚丙烯是线性烃类聚合物，能吸附无机液体或溶液。分子量结晶度较高的聚丙烯具有更好的溶解性和化学阻抗，但其生产难度和成本费用高。最常用的两种大量网眼的树脂是聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯。这些树脂能与离子类化合物发生反应，不仅具有吸附性，还表现出离子交换。2.吸附应用的最大瓶颈为吸附剂饱和，吸附剂饱和后重生和更换非常麻烦。你能想出办法解决工业应用上的吸附剂饱和问题吗？请思考（分气体吸附和液体吸附分别举例分析讨论）。答：气体吸附：1）吸附、催化燃烧工艺：此法综合了吸附法及催化燃烧法的优点，采用新型蜂窝状活性炭吸附有机废气，在吸附剂接近饱和后引入热空气进行脱附、解析，脱附后废气引入催化燃烧床无焰燃烧，将其彻底净化，热气体在系统中循环使用，大大降低能耗。本法适用于大风量、低浓度的废气治理。2）吸附-水蒸汽再生-溶剂回收净化工艺：其原理是利用粒状活性炭、活性炭纤维或沸石等吸附剂的多孔结构,将废气中的有机物捕获；当废气通过吸附床时,其中的有机物被吸附剂吸附在床层中,废气得到净化；由于吸附剂的价格较高,需要对其进行脱附再生,循环使用。当吸附剂吸附达到饱和后,通入水蒸汽加热吸附床,对吸附剂进行脱附再生,有机物被吹脱放出,并与水蒸汽形成蒸汽混合物一起离开吸附床。用冷凝器冷却蒸汽混合物,使其冷凝为液体。若有机溶剂为水溶性的,则使用精馏法