东华大学水污染控制第七次作业答案以及总结

1 1 什么是活性炭的吸附容量什么是活性炭的吸附容量 什么是吸附等温线 吸附等温式 什么是吸附等温线 吸附等温式 吸附容量 在一定温度与压力下 达到吸附平衡后 单位质量吸附剂所 吸附的吸附质的质量 g g q 式中 V 溶液体积 m y m V e0 L 分别为溶质的初始和平衡浓度 mg l m 吸附剂量 g e0 吸附等温线 是指在一定温度下溶质分子在两相界面上进行的吸附过程 达到平衡时它们在两相中浓度之间的关系曲线 吸附等温式 是指在一定温度下 表达吸附量同溶液浓度之间的关系数 学式 较常用的吸附等温式如下 亨利吸附等温式 对于低浓度吸附质的水溶液 吸附分子如不缔合或解离 保持分子状态的单分子层吸附于均一表面的吸附剂时 单位吸附剂的吸附量 和液体中吸附质质量浓度呈线性关系 q Hc 式中 q 单位吸附剂的 m y 吸附量 mg mg y 吸附剂吸附的物质总量 mg m 投加的吸附剂量 mg H 亨利系数 L mg c 吸附质在液体中的质量浓度 mg l 朗缪尔吸附等温式 假设在吸附剂表面具有均匀的吸附能力 所有的吸附机 理相同 被吸附的吸附质分子之间没有相互作用力 也不影响分子的吸附 在吸附剂表面只形成单分子层吸附 因此吸附速率和解吸速率与吸附剂表面 被吸附分子的覆盖率 与裸露率 1 有关 吸附速率 ka 1 c 解吸速率 kd 式中 ka 吸附速率常数 kd 解吸速率常数 c 溶液中溶质的质量浓度 mg l 弗罗因德利希吸附等温式 该式是一个经验式 该式与不均匀表面吸附理论 所得的吸附量与吸附热的关系相符 q kc1 n 式中 k 弗罗因德利希 m y 常数 n 常数 通常 n 大于 1 随温度的升高 吸附指数 1 n 趋于 1 一 般认为 1 n 介于 0 1 0 5 则容易吸附 1 n 大于 2 的物质难以吸附 BET 方程 多层吸附理论 多层吸附的吸附量等于各层吸附量的总和 q s s m c c 1 k1c c ckq 2 2 什么是活性炭的动态吸附容量 如何估算 什么是活性炭的动态吸附容量 如何估算 吸附容量是单位重量活性炭达到吸附饱和时能吸附的溶质量 活性炭的 吸附是一个动态的过程 即吸附质分子被吸附剂吸附的量与吸附剂表面释放 吸附质的数量是一个可逆的过程 因此 活性炭的动态吸附容量活性炭的动态吸附容量 即为某时 刻吸附剂吸附吸附质的量 而达到平衡时 为活性炭的最大吸附容量 即活 性炭达到饱和 3 3 废水中含有的有机物浓度为废水中含有的有机物浓度为 20mg L 20mg L 用粉末活性炭进行吸附试验 获得平用粉末活性炭进行吸附试验 获得平 衡浓度 数据衡浓度 数据 用用 LangmuirLangmuir 吸附等温式处理后得出可吸附等温式处理后得出可 k k1 1 130L g 130L g 以及以及 q qmax max 0 345g g 0 345g g 每克活性炭每克活性炭 按照按照 CSTRCSTR 处理考虑 池子的容积为处理考虑 池子的容积为 6m6m3 3 流量流量 为为 100L s100L s 出水中有机物浓度不超过 出水中有机物浓度不超过 1mg L1mg L 当活性炭饱和时需补充新碳 当活性炭饱和时需补充新碳 计算每秒钟补充的活性炭量 计算每秒钟补充的活性炭量 解 由朗缪尔吸附等温式可知 当溶液中溶质的质量浓度为 1mg l 时 此时 平衡状态吸附量为 q 0 0397mg mg m y ck1 ckq 1 1m 1 10 1301 1 10 130 345 0 3 3 设每秒钟补充活性炭的量为 w g s 则有 q 则 w 47 86g s wt t e0 Q q e0 Q 0397 0 10 1 20 100 3 4 某废水要求处理回用 采用活性炭吸附 空塔流速v 5m h 废水处理水量 qv 150m3 h CODC0 90mg L Ce 30mg L 吸附时间 t 30min 吸附剂密度 0 43t m3 实验得活性炭的通水倍数为 5m3 kg C 请设计相应的活性炭吸附塔 并参考补充资料中的吸附工艺与设备 或上网查资料 画出流程图 解 1 吸附塔的面积 A 30m2 v Q 5 150 2 吸附塔直径 d 6 18m 4A 30 4 3 吸附塔填料高度 h vt 5 1 2 2 5m 4 吸附塔填料体积 V A h 30 2 5 75m2 5 活性炭的填充质量 G V 0 43 75 32 25t 6 活性炭的吸附容量 q 1 4 10 V c ct e0 Q 9 3 10 43 0 75 10 30 90 2 1 150 4mg mg 7 处理水量 Q水 150 24 3600m3 8 吸附塔吸附的 COD 量 M Q水 3600 90 30 10 3 216kg d e0 c c 9 再生周期 T 45d 水 Q Gq 3600 5 10 25 32 3 8 图 思考题 思考题 1 1 举例说明活性炭吸附在给水工程中的应用 举例说明活性炭吸附在给水工程中的应用 活性炭吸附净水技术是目前欧美应用较广泛的深度处理技术之一 它是 利用活性炭的高效吸附性能来去除水中的嗅味 有机物 酚 烷基苯磺酸盐 ABS 消毒副产物 重金属离子 以及其它微量有害物质 因此 活性炭 吸附净水技术与常规给水处理工艺相合 可大大提高饮用水的安全性 1 活性炭粉末 PAC 在给水处理中的应用 粉末活性炭一般投加于取水口 混凝剂投加点 絮凝池或澄清池中 使 PAC 与水充分混合接触 以吸附水中的嗅味 有机物和微量污染物 PAC 特别适用于当源水富营养化 水中藻类大量族殖 产生较大的腥臭味时采用 当水源受短期和突发性污染时 也采用投加 PAC 作为应急处理措施 为了 提高 PAC 的吸附效率 就要使得 PAC 尽量悬浮在水中 以增加吸附时间 生产性试验表明 影响 PAC 吸附效果的主要因素是 PAC 吸附与絮凝的竞 争和吸附时间的保证 协调这两方面因素是充分发挥 PAC 吸附能力的关键 絮凝前投加 PAC 不可避免地发生吸附与絮凝之间的竟争 且投加点越往前移 吸附的可絮凝去除的有机物就越多 则 PAC 投量就越大 与絮凝剂同时投加 则形成的絮凝体包裹住 PAC 颖粒 使其难以发挥吸附性能 如在滤前投加 PAC 则 PAC 与水的接触时间不足 而且易穿透滤料层 试验者认为 对于 絮凝反应处理工艺 最佳投加点在絮凝池的中部 在絮凝池的中部絮凝体已 基本形成 投加入的 PAC 就附着在絮凝体的外部 避免了吸附与絮凝之间的 竟争 又保证了吸附时间 而且 PAC 附着于絮凝体表面 分离效果也较好 从报导的处理效果看 PAC 在投加量 10 15mg l 时 对 TOC 的去除率在 20 左 右 对三卤甲烷的去除率达 50 以上 烷基苯磺酸盐和酚的去除率达 80 但对 CCI4的去除率较低 对 NH4 N 的去除率也不显著 从 Ames 试验结果看 投加 PAC 后可以降低水的致突变活性 但不能使 Ames 试验由阳性转为阴性 此外 PAC 的投加对絮凝存在负影响 PAC 用于给水处理的优点是可以不需要设置专门的接触反应器 适合老 水厂的改造 利于对季节性和偶发的水源污染事故进行应急处理 缺点是 PAC 吸附对微量污染物的去除率难以保证 要获得高的去除率往往需要高的 PAC 投加量 而 PAC 投加后又难以回收利用 使得水处理的费用较高 2 颗粒活性炭 GAC 在给水处理中的应用 由于 PAC 不能回收 当投加量超过 20mg l 时就不太经济 因此 很多 水厂逐渐用 GAC 代替 PAC 在给水处理厂中设置的位置如下 GAC 吸附池使用最多的是固定床吸附池 其构造与快撼池相似 但 GAC 的厚度要高于砂滤层 GAC 吸附池也需要定期进行反冲洗 以排除 GAC 层内 的污物 当 GAC 吸附池处理水量较大时 一般采用并联吸附方式 若为了提 高出水水质的安全性和充分利用活性炭的吸附容量 可采用多级串联吸附方 式 GAC 吸附池的空床接触时间 EBCT 一般取 5 20min 滤速一般 6 10m h 显然 采用 GAC 吸附池的处理效果要优于 PAC 的处理效果 从文献报导 看 经 GAC 吸附池处理后的出水 Ames 试验可由进水的阳性转变为阴性 在 采用 GAC 吸附池进行深度处理时 也应尽量避免预氯化 因为氯化副产物三 卤甲烷是极性小分子 GAC 吸附池虽然在运行初期对其有 100 的去除率 但 三卤甲烷很易穿透 这样 GAC 的使用寿命偏短 将影响 GAC 吸附池的经济性 在对老厂进行改造时 由于砂滤池与清水池间可利用的水头有限 若不 增设提升设备 新增设 GAC 吸附池较困难 所以为节约改造费用 也出现将 砂滤池改建为 GAC 砂双层滤池 即将快滤池中的砂一部分换成 GAC 根据 生产性试验 GAC 砂滤池的除浊效果和砂池的除浊效果相近 但 GAC 砂 池对进水水质变化较为敏感 浊度易穿透 GAC 一砂滤池虽然基建费用比增 设 GAC 吸附池要低 但运行费用却要高 主要是 GAC 与砂容重相差太大 反 冲洗不易控制 反冲洗时活性炭易流失 此外 由于 GAC 砂滤池的 GAC 厚 度有限 GAC 的吸附容量利用不高 3 臭氧与生物活性炭 O3 BAC 吸附在给水处理中的应用 对于 GAC 吸附池的运行 人们一直在研究延长 GAC 工作寿命的方法 人 们发现 GAC 表面极易于微生物繁殖 并发现具有微生物繁殖的 GAC 吸附池的 活性炭使用寿命比无微生物 GAC 滤池要长认因此 在七十年代欧州就开始应 用生物活性炭 BAC 吸附池 并与臭氧 O3氧化相结合 在水处理中取得了较 好的处理效果 O3 BAC 净水技术就是预先用 O3 氧化源水 使大部分有机物降解为易于 吸附或易于生物降解的小分子量的中间产物 而且通过 O3氧化的水中由于 发生 O3分解 2O3 3O2 水中就具有充足的氧 导致好氧微生物在 GAC 表面繁 殖生长 使得 GAC 吸附与微生物的降解协同作用 提高了活性炭去除有机物 的能力和其使用寿命 BAC 的净水技术的优点 一般认为有下面几点 活性炭表面对有机物的富集作用有利于微生物对低浓度污染质的去除 活性炭可以降低废水中干扰生化处理的有毒物质的浓度 且使已吸附的毒 物的解吸有滞后作用 有利于微生物的驯化 同样 难生物降解的物质可以 先吸附在活性炭表面 再被微生物逐步分解掉 在活性炭吸附有机物的同 时 微生物能够对活性炭进行部分的生物再生 使炭保持一定的吸附能力 由于 O3 BAC 法中微生物和活性炭发挥了协同作用 使得活性炭的工作 寿命大大延长 根据国外文献的许多报导 O3 BAC 的活性炭工作寿命可达 2 3 年 4 活性炭纤维 ACF 在给水处理中的应用 活性炭纤维 ACF 是有机炭纤维经活化处理后形成的一种吸附材料 它 具有发达的微孔结构及各种官能团 吸附性能明显优于常规的 PAC 和 GAC ACF 表面积大 尤其是微孔直径主要介于 10 20A 之间 吸附质可直接 在曝露于纤维表面的微孔上进行吸附和脱附 其吸附速度较 GAC 快得多 再 生时也易脱附 在工程应用上 ACF 具有一定的强度和形状 不易粉化 在 水处理中其压力损失小 充填层不会轻易堵塞 迄今 ACF 在国外主要用于溶剂回收和气体净化等方面 在日本已开始 研究应用于水处理中的除臭 去有机物 降低三卤甲烷和废水回用的深度处 理中 研究表明 ACF 可用于大规模的水处理中 其除臭率平均可达 90 对有机物和三卤甲烷均有较好的去除效果 我国学者也开始从事 ACF 在水处 理中的应用研究 在去除有机物和对重金属离子的去除方面取得了一定成果 参考文献 活性炭吸附技术在给水处理中的应用参考文献 活性炭吸附技术在给水处理中的应用 蔡可键蔡可键 2 2 举例说明活性炭吸附在废水深度处理及资源回用中的应用 举例说明活性炭吸附在废水深度处理及资源回用中的应用 由于活性炭对水的预处理要求高 而且活性炭的价格昂贵 因此 在废 水处理中 活性炭主要用来去除废水中的微量污染物 以达到深度净化的目 的 2 3 活性炭处理含汞废水 活性炭有 吸 附 汞 和 含 汞 化 合 物 的 性 能 但吸附能力有限 只适宜于处理含汞量低的废水 如果含汞的浓度较高 可以先用化学沉淀法 处理 处理后含汞约 1mg L 高时可达 2 3 mg L 然后再用活性炭做进一 步的处理 2 4 活性炭处理含酚废水 含酚废水广泛来源于石油化工厂 树 脂厂 焦化厂和炼油化工厂 经 实验证明 活性炭对苯酚的吸附性能好 温度升高不利于吸附 使吸附容量 减小 但升高温度达到吸附平衡 的时间缩短 活性炭的用量和吸附时间存 在最佳值 在酸性和中性条件下 去除率变化不大 强碱性条件下 苯酚去 除率急剧下降 碱性越 强 吸附效果越差 2 6 炼油厂的深度处理 炼油厂含油废水 经隔油 气浮和生物处 理后 在经砂滤和活性炭过 滤深度处理 废水的含酚量从 0 1mg L 经 生 物 处 理 后 降 至 0 005mg L 氰 从 0 19mg L 降 至 0 048mg L COD 从 85mg L 降至 18mg L 2 7 活性炭处理含对氯苯酚的废水 对氯苯酚 P chlorophenol 别名对氯酚 4 氯苯酚 相对分子量为 128 56 对氯苯酚为白色针状晶 体 工业品带黄色或粉红色 具有不愉快的 刺激性气味 相对密度为 40 4 1 2651 沸点为 217 熔点为 42 43 闪点为 121 微溶 于水 在水中溶解度为 20 27 1g l 易溶于苯 乙醇 乙醚 氯仿 碱溶 液等 1 的水溶液为酸性 对氯苯酚 毒性强烈 当皮肤吸收或吸