2025年活性炭吸附性能研究与应用实验探究报告

(1)通过试验深入理解活性炭的吸附工艺及性能；(2)熟悉整个试验过程的操作；(4)学会使用一级动力学、二级动力学方程拟合分析，对PAC的吸附进行动力学分析(5)理解活性炭改性的措施以及其影响原因。2.1活性炭间隙性吸附试验原理活性炭吸附就是运用活性炭的固体表面对水中一种或多种物质的吸附作用，己到达净化水质的目的。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，表面上，此为物理吸附；另一种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，而到达平衡，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;Co、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;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，一般费用兰德里希经验公式加以体现。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、n值求法如下：通过间歇式活性炭吸附试验测得q、C对应之值，将式取对数后将q、C对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，尚有朗缪尔吸附等温式，它一般用来描述物质在均一表面上的单层吸附，体由于间歇式静态吸附法处理能力低、设备多，故在工程中多采用持续流活性炭吸附法，即活性炭动态吸附法。采用持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体现。No——吸附容量、即到达饱和时被吸附物质的吸附量，mg/L;Co——进水中被吸附物质浓度，mg/L;CB——容许出水溶质浓度，mg/L。当工作时间t=0,能使出水溶质不不小于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),可通过持续流活性炭吸附试验并运用公式t~D线性关系回归或作图法求出。2.2活性炭吸附动力学试验原理动力学研究多种原因对化学反应速率影响的规律，研究化学反应过程经历的详细环节，即所谓反应机理。它探索将热力学计算得到的也许性变为现实性，将试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(1)基于固体吸附量的拉格尔格伦(Lagergren)准一级速率方程是最为常见的，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;K——一次方程吸附速率常数，min-¹。以log(qe-q)对t作图，假如能得到一条直线，阐明其吸附机理符合准一级动力学模(2)准二级速率方程是基于假定吸附速率受化学吸附机理的控制，这种化学吸附波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K,为二级吸附速率常数以t/qi对t作图，假如能得到一条直线，阐明其吸附机理符合准二级动力学模型。(3)韦伯-莫里斯模型常用来分析反应中的控制环节，求出吸附剂的颗粒内扩散速率常数。其公式为：作图是直线且通过原点，阐明内扩散由单一速率控制。(4)班厄姆方程常被用来描述在吸附过程中的孔道扩散机理，方程尽管是以经验式提出，但可认为是与Freundlich等温吸附方程对应的动力学方程，这可从理论上导出。当线性拟合得到很好直线，拟合系数R²不小于0.99时表达此孔道扩散模型能很好的表达实际吸附状况。(5)此外，叶洛维奇(Elovich)方程也是可用来描述反应速率与时间关系的动力学方程，其体现式为：2.3活性炭改性试验原理一般活性炭比表面积小、孔径分布不均匀和吸附选择性能差，故一般活性炭需要深入的改性，满足试验和工程需要。目前常采用工艺控制和后处理技术对活性炭的孔隙构造进行调整，对表面化学性质进行改性，进而提高其吸附性能。改性措施有表面构造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。本次试验用硝酸对活性炭进行改性，属于表面氧化法。硝酸在合适的温度下对活性炭材料表面的官能团进行氧化，从而提高材料含氧官能团的含量，增强材料表面的亲水性。常用的氧化剂除了硝酸外，尚有HCIO和H₂O₂等。3.1试验设备与试剂仪器(试剂)1台500mL三角烧杯烘箱1个一套玻璃器皿滤纸、活性炭有机玻璃碳柱/催化剂重铬酸钾原则溶液亚铁灵指示剂3.2试验装置试验装置如图3-1和图3-2所示。(1)将某污水用滤布过滤，清除水中悬浮物或自配污水，测定该污水的COD、SS等值。(2)将活性炭放在蒸馏水中浸24h,然后放在105℃烘箱中烘至恒重，再将烘干后的活性炭压碎，使其成为能通过200目一下筛孔的粉状炭。由于粒状活性炭要到达吸附平衡耗时太长，往往需要数日或数周，为了使试验能在短时间内结束，应多用粉状(3)在6个500mI的三角瓶中分别投加0mg、100mg、200mg、300mg、400mg、500mg(4)在每个三角瓶中投加同体积的过滤后的污水，使每个烧瓶中的COD浓度与活性炭浓(5)测定水温，将三角瓶放在振荡器上振荡，当到达吸附平衡(时间延至滤出液的有机物浓度COD值不再变化)时即可停止振荡。(时间一般为30min以上)。(6)过滤各三角瓶中的污水，测定其剩余COD值，求出吸附量q。(1)在6个500mI的锥形瓶中投加500mg粉状活性炭，再分别加入400mL原水(过滤后)。(2)分别在0min、10min、30min、50min、70min、90min时过滤测定出水COD,并计3.3.3活性炭改性试验(1)称取四组质量为20g的粉末活性炭，分别放入200mL锥形瓶中。(2)分别往锥形瓶中添加100mL1.2mol/L、3.5mol/L、7.2mol/L、13.2mol/L浓度的硝酸，浸泡粉末活性炭，在常温下放置2h,期间不停晃动，后用砂芯漏斗进行抽洗，浓度的硝酸改性的500mg粉状活性炭、未经改性的粉末活性炭，再分别加入400mL原水(过滤后)。(4)在30min时测定出水的COD,并计算吸附量。水温：28℃吸附时间：30min(NH₄)₂Fe(SO₄)2溶液浓度：0.01294mol/L水样活性炭投滴加溶液体积/mL度COD清除量COD清除率/%吸附量蒸馏水/////原水04.2活性炭吸附动力学试验水温：30℃(NH₄)₂Fe(SO₄)₂溶液浓度：0.01082mol/L水样吸附时间滴加量/(mg/L)吸附量蒸馏水/////原水0平均39.83水温：31℃吸附时间：30min(NH4)₂Fe(SO4)2溶液浓度：0.01083mol/L4.3.2试验数据记录水样硝酸浓度滴加量/(mg/L)吸附量蒸馏水/////原水0平均60.43B(未改性)0B(1.2)B(3.5)B(7.2)B(13.2)以活性炭投加量为横坐标，出水COD浓度、COD清除率为纵坐标，绘制活性炭投加量与COD清除率关系曲线如图5-1所示。COD去除率/%100mg活性炭对应的出水COD浓度为39.34mg/L,而500mg活性炭对应的出水COD浓度为5.18mg/L;与此相对应，伴随粉末活性炭投加量的增大，水样的COD清除率逐渐上升，由100mg活性炭时的23.68%提高至500mg活性炭时的86.84%。这阐明在试验条件下，水中有机物的清除效果伴随粉末活性炭投加量的增大而加强。这是由于当加入的活性炭量过少时，活性炭仅吸附了少许有机物就都到达饱和状态，在其他条件不变的状况下，逐渐增长活性炭投加量，能明显增长有机物吸附量。而当水中有机物的浓度减少到一定程度时，再增长活性炭投加量，对有机物清除效果的增强作用将不明显，从图中后半段曲线斜率所呈的下降趋势可验证这一点。本试验中，当活性炭投加量增长到500mg时，水样的出水COD浓度已降至5.18mg/L,COD清除率已高达86.84%,由此我们可预见继续增大活性炭投加量对本试验水样COD清除效果Freundlich方程常用于活性炭吸附等温线的拟合，其方程形式为：Freundlich方程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。将q、C对应值点绘在双对数坐标纸上，所得的直线斜率为1/n,截距为K,由此即可求解出Freundlich方程。因此，需先计算lgq和lgC的值，成果如表5-1所示。水样活性炭投加量/mg吸附量坐标绘制图像，并作线性拟合如图5-2所示，有关拟合数据如表5-2所示。品由表5-2数据可知，用Freundlich方程对试验数据进行拟合，拟合的有关系数R²为0.93468,比较靠近1,可见该方程的拟合效果是比很好的，这阐明Freundlich方程能成功地关联试验数据。拟合直线的斜率为0.17793,截距为1.29722,也即因此，本试验活性炭等温吸附曲线的Freundlich方程为：Langmuir方程基于单分子层吸附，也可用于水样吸附量g由表5-4数据可知，用Langmuir方程对试验数据进行拟合，拟合的有关系数R²仅为0.767,可见该方程的拟合效果较差，用Langmuir方程无法很好地关联试验数据。对比两种等温吸附方程的拟合，Freundlich方程拟合的有关系数R²为0.93468,而Langmuir方程拟合的有关系数R²仅为0.767,远远低于Freundlich方程，阐明试验中活活性炭对COD的等温吸附曲线用Langmuir方程拟合效果并不理想，其也许原因如①Langmuir等温式是在一定假设的基础上建立起来的、用于描述气-固之间吸附的经验公式，其假设之一是被吸附的分子之间不存在互相作用，且吸附只限于单分子层吸附。在本试验中，液相中吸附质之间的距离远比气体分子小，且也许存在多种静电力作用而互相汇集，吸附质之间的作用力是不可忽视不验所用水样并非是单一溶液或是由少数物质混合而成的简朴混合液，而是包括多种复杂环境化合物的河道水，这些化合物会在吸附过程中克制或增进目的吸附质在吸附剂上的吸附，因此会影响Langmuir模型的拟合效果。清除率关系曲线如图5-4所示。出水COD浓度/(出水COD浓度/(mgL)由上图可以观测到，COD的出水浓度随吸附时间的延长而明显下降，最低可到达6.93mg/L,而活性炭对COD的清除率也随吸附时间的增长而明显增长，最高可到达此外，由该图COD清除率曲线趋势可以看出，试验吸附后期曲线仍未平缓，阐明在吸附时间70~90min间COD清除率随吸附时间的增长期有效应仍很明显，即粉末活性炭吸附平衡时间应在90min之后。5.2.2颗粒内扩散模型拟合颗粒内扩散模型是吸附动力学常用的拟合模型之一，根据拟合成果可判断吸附剂吸附的类型。其方程式如下：根据表4-4数值，作出吸附时间t和吸附量qt的散点图，并作方程拟合如图5-5所示，有关拟合数据如表5-6所示。BKBC由表5-6数据，颗粒内扩散模型拟合的有关系数为R₂=0.98622,非常靠近1,该模型对试验数据的拟合效果很好，阐明活性炭对水样中COD的吸附以孔内扩散过程为控制吸附速率的重要原因，这与液相吸附的特点相符合。5.2.3准一级反应动力学方程拟合准一级反应动力学方程是吸附动力学拟合的常用方程之一，其体现式如下：或q₁——时间为t时的吸附量，mg/g;K——一次方程吸附速率常数，min-¹。在运用准一级反应动力学方程进行拟合时，一般有非线性和线性拟合两种措施。非线性拟合对应第一种体现式，它是直接对qi、t数据进行拟合，根据拟合成果可求得平衡吸附量qe和速率常数K。线性拟合对应第二个体现式，它是假定试验吸附后期已经到达平衡状态，即qe取吸附后期的试验数据qu,然后对In(qe-q)与t进行线性拟合，从而求出速率常数K。一般而言，前一种措施求解的成果远比后者精确，由于根据试验成果是无法精确预知平衡吸附量qe的，且在试验中活性炭吸附真正到达平衡需要较长时间，而在试验中实际的吸附时间往往是达不到平衡时间的，因此若先假定qe为吸附后期的吸附量q将存在较大的误差。由对吸附时间与COD清除率关系曲线(图5-4)可知本试验在吸附时间到达90min时仍未到达吸附平衡，因此采用非线性拟合法对试验数据进行拟合。根据表4-4数值，作出吸附时间t和吸附量q的散点图，并作方程非线性拟合如图5-6所示，有关拟合数据如表5-7所示。ab由表5-7数据可知，用准一级动力学方程对试验数据进行拟合，拟合的有关系数R²为0.96699,比较靠近1,因此可认为该方程的拟合效果是比很好的。由表中数据可算出qt=31.37204×[1-exp(-qe=31.37204mg/g≈31.375.2.4准二级反应动力学方程拟合理符合准二级动力学模型。因此，需先对t/q:进行计算，计算成果如表5-8所示。水样吸附时间t/min吸附量q/(mg/g)根据上表数值，以吸附时间t为横坐标、t/q.为纵坐标绘制图像，并作线性拟合如图5-7所示，有关拟合数据如表5-9所示。图5-7准二级反应动力学方程拟合图像表5-9准二级反应动力学方程拟合数据由表5-9可知，准二级反应动力学线性拟合的有关系数R²为0.97138,比较靠近1,因此可认为该方程的拟合效果也是比很好的。由表中数据可算出准二级反应动力学拟合此外还可求得5.2.5反应动力学方程的比较及成果分析对比两种反应动力学方程的拟合，准一级反应动力学方程拟合的有关系数R²为0.96699,而准二级反应动力学方程拟合的有关系数R²仅为0.97138,比准一级反应动力学方程稍高，阐明试验中活性炭的吸附更符合准二级反应动力学方程。一级动力学是指反应速率与一种反应物浓度呈线性关系，二级动力学指反应速率与两种反应物浓度呈线性关系。准一级动力学是指众多因子中存在一种因子决定反应速率或理论上不是一级动力学但可以相称于一级反应的动力学称为准一级动力学，准二级动力学与二级动力学的区别同上。试验中的水样取自河道水，其中有机物种类繁多且构成复杂，活性炭吸附的有机物多样，由单因子决定活性炭吸附速率的也许性远比双因子或多因子小，因此本试验中活性炭对水中COD的动态吸附过程更符合准二级反应动力学模5.3活性炭改性试验以硝酸浓度为横坐标，COD清除率为纵坐标，绘制吸附时间与COD清除率关系曲线如图5-8所示。性炭吸附COD没有改善作用。此外，本试验中，最高COD清除率为39.57%,最低COD清除率为28.06%,两者差异；最高COD清除率39.57%并不是很高，与原水的COD清除率32.37%相差也不是综上分析，硝酸浓度与COD清除率之间的关系并无明显规律，运用硝酸改性对改善活性炭吸附COD效果无明显作用，导致该现①运用硝酸改性活性炭，除了硝酸浓度也许对改性效果导致影响之外，温度和处理时间也也许对改性效果导致影响，温度和处理时间对活性炭吸附性能的影响因吸附质而②氧化改性可增强活性炭对CO₂、SO₂、苯、金属离子等极性较强的物质的吸附，但减弱了对苯酚、腐殖酸等以疏水性为主的有机物的吸附。天然水体中普遍存在化学性质和构成复杂的有机物，有机物的种类和浓度各异，极性强弱存在差异。试验中的水样取自天然河道，其有机物构成复杂，硝酸改性对活性炭吸附这些有机物的效果部分呈增强酸氧化改性活性炭吸附有机物，若吸附是在水溶液中进行，由于活性炭表面酸性含氧基团大量增长，与水的亲和力增大，由于水的竞争吸附，不利于有机物的吸附；有机物吸附量与活性炭表面的酸度无规律性关系，但和表面的羟基和酚羟基有亲密关系，羟基和酚羟基增多，吸附量增大，羟基和酚羟基减少，吸附量减少。本试验中用硝酸改性活性炭吸附河道水水样中的COD,不仅对COD清除无改善作用，还很也许对COD清除产(1)试验中对原水的过滤是在两套抽滤装置中进行的，抽滤装置的真空压力不一样、更换滤纸的频率不一样，将使两套装置对原水的过滤效果产生差异，因而原水中的初(2)前两次试验中由于经验局限性，将活性炭的搅拌速度控制为350r/min,这个速度对(3)在过滤操作中，有时选到的抽滤装置密封效果不佳，需要人为用手压着漏斗才能保证有足够的真空度。在最开始倒加水样时往往由于人力局限性，无法在用手倒水样(4)试验中，为了加紧试验进度，过滤了一定量原水后就开始往烧杯中装原水，而等到再次往剩余的烧杯中装原水时，之前烧杯中的原水已与活性炭接触混合了一定期间，在这段时间内活性炭也许已吸附了一定量的有机物，这将使得提前装好的水样测得的COD值偏低。(5)配制、称量各类药物时会有一定的误差。(6)在滴定过程中，由于人眼对颜色的辨别有限，因此对滴定终点的判断会存在误差。7.1影响活性炭对水中有机物吸附量的原因由于活性炭水处理所波及的吸附过程和作用原理较为复杂，因此影响原因也较多。王要与活性炭的性质、水中污染物的性质、活性炭处理的过程原理一级选择的运转参数与操作条件等有关。影响活性炭对水中有机物的吸附量有如下原因：(1)活性炭的构造及特性由于活性炭对水中有机物的吸附是一种表面现象，因此活性炭的孔径、孔容分布及比表面积影响吸附容量。细孔越多，比表面积越大，吸附量也越大，但除去高分子有机物的效果较差。(2)被吸附有机物的性质有相似的活性炭对不一样的有机物吸附，其吸附量与吸附速度均有明显差异，这重要与有机物在水中的溶解度、相对分子质量大小和浓度高下等原因有关。活性炭对有机物的吸附特点可以概括为：对芳香族有机物的吸附优于非芳香族有机物(由于芳香族有机物能使溶液表面张力减少，因而轻易被吸附);对分子量大的有机物吸附优于分子量小的有机物(一般水中有机物的分子量增长，吸附量也增长，但分子量增大到一定程度时，因扩散速度减慢，反而使吸附量和吸附速度减少。)对水中溶解度小的有机物吸附优于溶解度大的有机物，由于活性炭是一种憎水性物质，因此憎水性强的有机物越轻易被吸附，有机物的憎水性越强，在水中的溶解度就越小。(3)水的PH值由于天然水中的有机物重要为有机酸，而有机酸在低PH值下电离较小，由于活性炭对分子态的弱电解质对离子态的吸附量大，因此在低PH值条件下，可以提高活性炭对有机物的清除率。(4)水中有机物的初始浓度大多数有机物的初始浓度增长，吸附量按指数函数增长。(5)水的温度与共存条件活性炭对水中有机物的吸附，温度的影响可以忽视不计。一般天然水中存在的无机离子对活性炭吸附有机物也几乎没有影响。但汞、铬、铁等金属离子合量较高时，则也许由于在活性炭表面起氧化、还原反应，并沉淀、积累在炭粒内，使活性炭的孔径变化，影响活性炭的吸附效果。7.2活性炭吸附有机物