活性碳吸附综合实验报告

实验目的通过实验进一步了解活性炭的吸附工艺及性能；熟悉整个实验过程的操作；掌握用“间歇法”、“连续流”法确定活性炭处理污水的设计参数的方法；学会使用一级动力学、二级动力学方程拟合分析，对PAC力学分析研究；了解活性炭改性的方法以及其影响因素。实验原理活性炭间隙性吸附实验原理活性炭吸附就是利用活性炭的固体表面对水中一种或多种物质的吸附作用，己达到净化水质的目的。活性炭的吸附作用产生于两个方面，一是由于活性炭内部分子在各个方向都受到同等大小的力而在表面的分子则受到不平衡的力，这就使其他分子吸附于其表面上，此为物理吸附；另一个是由于活性炭与被吸附物质之间的化学作用，此为化学吸附。活性炭的吸附是上述两种吸附综合的结果。当活性炭在溶液中的吸附速度和解吸速度相等时，即单位时间内的活性炭的数量等于解吸的数量时，此时被吸附物质在溶液中的浓度和在活性炭表面的浓度均不在变化，而达到平衡，此时的动平衡称为活性炭吸附平衡而此时被吸附物质在溶液中的浓度称为平衡浓度。活性炭的吸附能力以吸附量q表示。式中：q——活性炭吸附量，即单位重量的吸附剂所吸附的物质量，g/g；V——污水体积，L；C0、C——分别为吸附前原水及吸附平衡时污水中的物质浓度，g/L；X——被吸附物质重量，g；M——活性炭投加量，g。在温度一定的条件下，活性炭的吸附量随被吸附物质平衡浓度的提高而提高，两者之间的变化称为吸附等温线，通常费用兰德里希经验公式加以表达。式中：q——活性炭吸附量，g/g；C——被吸附物质平衡浓度g/L；K、n——溶液的浓度，pH值以及吸附剂和被吸附物质的性质有关的常数。K、nq、C对数后变换为下式：将q、C相应值点绘在双对数坐标纸上，所得直线的斜率为1/n，截距则为K。此外，还有朗缪尔吸附等温式，它通常用来描述物质在均一表面上的单层吸附，表达式为：由于间歇式静态吸附法处理能力低、设备多，故在工程中多采用连续流活性炭吸附法，即活性炭动态吸附法。采用连续流方式的活性炭层吸附性能可用勃哈特和亚当斯所提出的关系式来表达。式中：t——工作时间，h；V——流速，m/h；D——活性炭层厚度，m；K——速度常数，L/mg·h；N0——吸附容量、即达到饱和时被吸附物质的吸附量，mg/L；C0——进水中被吸附物质浓度，mg/L；CB——允许出水溶质浓度，mg/L。当工作时间t=0，能使出水溶质小于CB的碳层理论深度称为活性炭的临界深度，其值由上式t=0推出。碳柱的吸附容量（N0）和速度常数（K），可通过连续流活性炭吸附试验并利用公式t~D线性关系回归或作图法求出。活性炭吸附动力学实验原理动力学研究各种因素对化学反应速率影响的规律，研究化学反应过程经历的具体步骤，即所谓反应机理。它探索将热力学计算得到的可能性变为现实性，将实验测定的化学反应系统宏观量间的关系通过经验公式关联起来。固体吸附剂对溶液中溶质的吸附动力学过程可用准一级、准二级、韦伯-莫里斯(WeberandMorris)内扩散模型和班厄姆(Bangham)孔隙扩散模型来进行描述。基于固体吸附量的拉格尔格伦(Lagergren)的，应用于液相的吸附动力学方程，模型公式如下：或式中：qe——平衡吸附量，mg/g；qttK——一次方程吸附速率常数，min-1。log(qe-qt)t动力学模型。吸附涉及到吸附剂与吸附质之间的电子共用或电子转移，其公式为：式中Ks为二级吸附速率常数t/qtt模型。扩散速率常数。其公式为：式中，CKipqt作图是直线且经过原点，说明内扩散由单一速率控制。FreundlichR20.99较好的表示实际吸附情况。此外，叶洛维奇(Elovich)动力学方程，其表达式为：活性炭改性实验原理普通活性炭比表面积小、孔径分布不均匀和吸附选择性能差，故普通活性炭需要进一步的改性，满足实验和工程需要。现在常采用工艺控制和后处理技术对活性炭的孔隙结构进行调整，对表面化学性质进行改性，进而提高其吸附性能。改性方法有表面结构的改性以及表面化学性质的改性两大类。活性炭表面化学性质的改性又可分为表面氧化法、表面还原法负载原子和化合物法以及酸碱改性法三种。本次实验用硝酸对活性炭进行改性，属于表面氧化法。硝酸在适当的温度下HClOH2O2实验内容实验设备与试剂表3-1实验中所用试剂及说明仪器（试剂）仪器（试剂）数量振荡器1台500mL三角烧杯6个烘箱1个COD、SS等测定分析装置一套玻璃器皿若干滤纸、活性炭若干有机玻璃碳柱d=20~30mm；H=1.0m配水及投配系统/硫酸亚铁铵现配催化剂重铬酸钾亚铁灵指示剂实验装置3-13-2

标准溶液实验室配备图3-1间歇式活性炭吸附装置图3-2连续式活性炭吸附试验装置实验步骤活性炭间隙吸附实验COD、SS24h，105℃烘箱中烘至恒重，再将200应多用粉状炭。6500mI0mg、100mg、200mg、300mg400mg、500mgCOD0.05~5.0COD30minCODq。活性炭吸附动力学实验6500mI500mg400mL水(过滤后)。分别在0min、10min、30min、50min、70min、90minCOD，并计算吸附量。活性炭改性实验称取四组质量为20g的粉末活性炭，分别放入200mL锥形瓶中。分别往锥形瓶中添加100mL1.2mol/L、3.5mol/L、7.2mol/L、13.2mol/L2h，芯漏斗进行抽洗，直至活性炭pH呈中性，在烘箱中烘干，备用。在5个500ml的锥形瓶中分别投加经1.2mol/L、3.5mol/L、7.2mol/L、13.2 mol/L浓度的硝酸改性的500mg粉状活性炭、未经改性的粉末性炭，再分别加入400mL原水（过滤后）。30min时测定出水的COD，并计算吸附量。数据记录与整理活性炭间隙吸附实验实验基本数据表4-1活性炭间隙吸附实验基本数据水温：28℃水温：28℃水样体积：400mL吸附时间：30min搅拌强度：350r/min(NH4)2Fe(SO4)2：0.01294mol/L实验数据记录表4-2活性炭间隙吸附实验数据记录活性炭滴加活性炭滴加(NH4)2Fe(SO4)2CODCOD去除量COD去吸附量水样投加量溶液体积/mL/(mg/L)/(mg/L)除率/%q/(mg/g)/mg蒸馏水/19.90////原水018.0039.340.000.000.00K(100mg)10018.4530.029.3223.6837.27K(200mg)20018.8322.1517.1843.6834.37K(300mg)30019.1515.5323.8160.5331.75K(400mg)40019.4010.3528.9973.6828.99K(500mg)50019.655.1834.1686.8427.33活性炭吸附动力学实验实验基本数据表4-3活性炭间隙吸附实验基本数据水温：30℃水温：30℃水样体积：400mL活性炭投加量：400mg搅拌强度：350r/min(NH4)2Fe(SO4)2：0.01082mol/L实验数据记录表4-4活性炭吸附动力学实验数据记录滴加滴加吸附时间CODCOD去除量COD去除吸附量水样 (NH4)2Fe(SO4)2t/min /(mg/L) /(mg/L) 率/% 溶液体积/mL蒸馏水/20.00////38.10、38.10、41.56原水 0 17.80、17.60 0.000.000.00平均39.83A(10min)1018.4726.4913.3333.4813.33A(30min)3018.9019.0520.7852.1720.78A(50min)5019.2113.6826.1565.6526.15A(70min)7019.3211.7728.0570.4328.05A(90min)9019.606.9332.9082.6132.90活性炭改性实验实验基本数据表4-3活性炭间隙吸附实验基本数据水温：31℃水样体积：400mL活性炭投加量：300mg搅拌强度：150r/min吸附时间：30min(NH4)2Fe(SO4)2：0.01083mol/L实验数据记录表4-4活性炭吸附动力学实验数据记录硝酸浓度硝酸浓度滴加CODCOD去除量COD去吸附量水样/(mol/L)(NH4)2Fe(SO4)2/(mg/L)/(mg/L)除率/%q/(mg/g)溶液体积/mL溶液体积/mL蒸馏水/23.65////61.74、原水020.10、20.255