活性炭吸附实验报告

活性炭吸附实验

1.实验目的

本实验用亚甲基蓝（C16H18ClN3S）代替工业废水中有机污染物，采用活性炭吸附法，探究活性炭投放量、吸附时间等因素对活性炭吸附性的影响，探究活性炭处理有机污染水体时的最优工艺参数。 2.实验原理 2.1活性炭特性

活性炭是水处理吸附法中广泛应用的吸附剂之一，有粒状和粉状两种。其中粉末活性炭应用于水处理在国内外已有较长的历史。活性炭是一种暗黑色含炭物质，具有发达的微孔构造和巨大的比表面积。它化学性质稳定，可耐强酸强碱，具有良好吸附性能，是多孔的疏水性吸附剂。活性炭最初用于制糖业，后来广泛用于去除受污染水中的有机物和某些无机物。它几乎可以用含有碳的任何物质做原材料来制造，活性炭在制造过程中，其挥发性有机物被去除，晶格间生成空隙，形成许多形状各异的细孔。其孔隙占活性炭总体积的 70%～ 80%，每克活性炭的表面积可高达 500 ～ 1700 平方米，但 99.9％都在多孔结构的内部。活性炭的极大吸附能力即在于它具有这样大的吸附面积[1,2]。 2.2活性炭吸附特征

活性炭的孔隙大小分布很宽，从 10-1nm 到104nm 以上，一般按孔径大小分为微孔、过渡孔和大孔。在吸附过程中，真正决定活性炭吸附能力的是微孔结构。活性炭的全部比表面几乎都是微孔构成的，粗孔和过渡孔只起着吸附通道作用，但它们的存在和分布在相当程度上影响了吸附和脱附速率。研究表明，活性炭吸附同时存在着物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。在活性炭吸附法水处理过程中,利用3种吸附的综合作用达到去除污染物的目的。对于不同的吸附物质,3种吸附所起的作用不同。 （1）物理吸附

分子力产生的吸附称为物理吸附,它的特点是被吸附的分子不是附着在吸附剂表面固定点上,而稍能在界面上作自由移动。物理吸附可以形成单分子层吸附,又可形成多分子层吸附。由于分子力的普遍存在, 一种吸附剂可以吸附多种物质,但

由于吸附物质不同,吸附量也有所差别。这种吸附现象与吸附剂的表面积、细孔分布有着密切关系,也和吸附剂表面力有关。 （2）化学吸附

活性炭在制造过程中炭表面能生成一些官能团,如梭基、轻基、淡基等,所以活性炭也能进行化学吸附。吸附剂和吸附质之间靠化学键的作用,发生化学反应,使吸附剂与吸附质之间

牢固地联系在一起。一种吸附剂只能对某种或特定几种物质有吸附作用,因此化学吸附只能是单分子层吸附,吸附是较稳定的,不易解吸。活性炭在制造过程中,由于制造工艺不一样,活性炭表面若有碱性氧化物则以吸附溶液中的酸性物质,若活性炭表面有酸性氧化物则以吸附溶液中的碱性物质。 （3）离子交换吸附

一种物质的离子由于静电引力聚集在吸附剂表面的带电点上,在吸附过程中,伴随着等量离子的交换口。离子的电荷是交换吸附的决定因素。被吸附的物质往往发生了化学变化,改变了原来被吸附物质的化学性质。这种吸附也是不可逆的,因此仍属于化学吸附,活性炭经再生也很难恢复到原来的性质[3]。 2.3活性炭在水处理中的运用

用活性炭吸附法处理污水或废水就是利用其多孔性固体表面，吸附去除污水或废水中的有机物或有毒物质，使之得到净化。研究表明，活性炭对分子量500-1000范围内的有机物具有较强的吸附能力。活性炭对有机物的吸附受其孔径分布和有机物特性的影响，主要是受有机物的极性和分子大小的影响。同样大小的有机物，溶解度越大、亲水性越强，活性炭对它的吸附性越差，反之，对溶解度小，亲水性差、极性弱的有机物如苯类化合物、酚类化合物等具有较强的吸附能力[4] 活性炭水处理的主要影响因素有: 活性炭的性质、吸附质性质、吸附质的浓度、溶液pH、溶液温度、多组分吸附质共存和吸附操作条件等[5]. 3.仪器与药品 仪器

可见分光光度计 恒温摇床 药品

亚甲基蓝、粉末活性炭(PAC)、不定型颗粒活性炭(GAC) 4.实验操作

4.1亚甲基蓝标线绘制

1、 配制100mg/L的亚甲基蓝溶液：量取10ml 1000亚甲基蓝母液于100ml容量瓶，用蒸馏水稀释至标线。

2、 用移液管分别移取亚甲基蓝标准溶液0.5、1、1.5、2、2.5ml于50ml比色管中，用蒸馏水稀释至刻度线处，摇匀，以水为参比，在波长664nm处，用1cm比色皿测定吸光度，绘出标准曲线。 4.2吸附实验

4.2.1粉末炭与颗粒炭吸附效果比较

分别称取0.01、0.02、0.04、0.08、0.l2gPAC或0.5 、1、2、4、8gGAC，加入到100mL浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液中，放入恒温振荡器中振荡，设置转速为200r/min，温度30℃，反应30 min，取上清液测定剩余溶液的吸光度，考察活性炭投加量对亚甲基蓝去除率的影响。 4.2.2活性炭吸附过程类型确定

分别称取0.01、0.02、0.03、0.04、0.05gPAC或0.5 、1、2、4、6gGAC，加入到100mL浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液中，放入恒温振荡器中振荡，设置转速为200r/min，温度30℃，反应30 min，取上清液测定剩余溶液的吸光度。根据吸附前后亚甲基蓝浓度差、溶液体积和吸附剂用量计算活性炭对亚甲基蓝的吸附容量(qe)。对试验数据分别做Langmuir吸附方程和Freundlich吸附方程拟合。 4.2.3穿透曲线

从吸附柱（20cm、30 cm）上口流进40mg/L 的亚甲基蓝溶液，从吸附柱出口接样调节其流量为8ml/min，一定时间间隔后接样，分析其浓度。直到出口浓度为初始浓度的90%为止，实验结束。 5.结果与讨论 5.1标准曲线

不同浓度亚甲基蓝标液对应吸光度如表1所示。根据表中数据，绘制Abs-浓度曲线，如图1。

表1，不同浓度亚甲基蓝对应吸光度数据表

浓度mg/l Abs 0 -0.003 1 0.165 2 0.373 3 0.591 4 0.81 5 0.998

1.210.8Abs0.60.40.200123mg/l456y = 0.204x -0.019R2 = 0.998 图1，亚甲基蓝吸收标准曲线

标准曲线相关系数R=0.999，说明在664nm处，亚甲基蓝浓度在0-5mg/l与吸光度有较好的线性关系。吸收曲线方程为y=0.2045x-0.0193。 5.2不同活性炭去除效果比较

图2，a为粉末活性炭添加量对20mg/l亚甲基蓝去除效果，b为颗粒活性炭添加量对20mg/l

亚甲基蓝去除效果

由图1可以看出，无论是颗粒炭还是粉末炭，在一定范围内，随投加量增加，对

亚甲基蓝去除率都是先快速上升，后上升趋势减缓；对于20mg/l亚甲基蓝废水处理，粉末活性炭最佳投加量为0.08g，颗粒活性炭最佳投加量为8g，去除效果能达到95%以上；显然，粉末活性炭去除效率远高于颗粒活性炭，这是因为粉末炭比表面积远大于颗粒炭，而吸附现象发生在吸附剂表面上,所以吸附剂的比表面积是影响吸附的重要因素之一,比表面积越大,吸附性能越好。

5.3吸附过程类型确定 5.3.1粉末活性炭

单分子吸附的Langmuir方程为：

q=kpqm/(1+kp)(1)

方程两边取倒数得，1/q=1/（kqm）*1/p+1/qm(2) 式2两边同时乘以p得，p/q=p/qm+1/kqm (3) 由式3知，p/q和p呈直线关系，将实验数据整理为：

P/(mg/l)

表2 14.20636 9.753545 5.712958 3.39511 1.972127 p/q[mg(C)/l] 245.2059 190.3789 119.961 81.78579 54.69661 根据表2数据作p/q-p图，其相关系数为0.997，如图3。

300250p/q[mg(C)/L]20015010050005p/(mg/l)1015y = 15.70x + 28.36R2 = 0.994 图3，粉末炭p/q-p曲线

Freundlich吸附方程为：q=kp

1/n

(4)

式4两边取对数得：Inq=1/nInp+Ink (5) 由式5知, Inq和Inp呈直线关系，将实验数据整理为：

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