活性碳吸附綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步了解活性炭的吸附工藝及性能； (2) 熟悉整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的操作； (3) 掌握用“間歇法”、“連續(xù)流”法確定活性炭處理污水的設(shè)計(jì)參數(shù)的方法； (4) 學(xué)會(huì)使用一級(jí)動(dòng)力學(xué)、二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合分析，對(duì) PAC 的吸附進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析研究；(5) 了解活性炭改性的方法以及其影響因素。2 實(shí)驗(yàn)原理2.1 活性炭間隙性吸附實(shí)驗(yàn)原理活性炭吸附就是利用活性炭的固體表面對(duì)水中一種或多種物質(zhì)的吸附作用，己達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。活性炭的吸附作用產(chǎn)生于兩個(gè)方面，一是由于活性炭?jī)?nèi)部分子在各個(gè)方向都受到同等大小的力而在表面的分子則受到不平衡的力，這就使其他分子吸附于其表面上，此為物理吸附；另

2、一個(gè)是由于活性炭與被吸附物質(zhì)之間的化學(xué)作用，此為化學(xué)吸附?；钚蕴康奈绞巧鲜鰞煞N吸附綜合的結(jié)果。當(dāng)活性炭在溶液中的吸附速度和解吸速度相等時(shí)， 即單位時(shí)間內(nèi)的活性炭的數(shù)量等于解吸的數(shù)量時(shí)，此時(shí)被吸附物質(zhì)在溶液中的濃度和在活性炭表面的濃度均不在變化，而達(dá)到平衡，此時(shí)的動(dòng)平衡稱(chēng)為活性炭吸附平衡而此時(shí)被吸附物質(zhì)在溶液中的濃度稱(chēng)為平衡濃度?；钚蕴康奈侥芰σ晕搅縬表示。q=V(C0-C)M=XM式中：q 活性炭吸附量，即單位重量的吸附劑所吸附的物質(zhì)量，g/g；V 污水體積，L；C0、C 分別為吸附前原水及吸附平衡時(shí)污水中的物質(zhì)濃度，g/L；X 被吸附物質(zhì)重量，g；M 活性炭投加量，g。在溫度一定的條件

3、下，活性炭的吸附量隨被吸附物質(zhì)平衡濃度的提高而提高，兩者之間的變化稱(chēng)為吸附等溫線(xiàn)，通常費(fèi)用蘭德里希經(jīng)驗(yàn)公式加以表達(dá)。q=K·C1n式中：q 活性炭吸附量，g/g ；C 被吸附物質(zhì)平衡濃度g/L；K、n 溶液的濃度，pH值以及吸附劑和被吸附物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。K、n值求法如下：通過(guò)間歇式活性炭吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)得q、C相應(yīng)之值，將式取對(duì)數(shù)后變換為下式：lgq=lgK+1nlgC將q、C相應(yīng)值點(diǎn)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，所得直線(xiàn)的斜率為1/n，截距則為K。此外，還有朗繆爾吸附等溫式，它通常用來(lái)描述物質(zhì)在均一表面上的單層吸附，表達(dá)式為：1q=1qmK·1C+1qm由于間歇式靜態(tài)吸附法處理能力

4、低、設(shè)備多，故在工程中多采用連續(xù)流活性炭吸附法，即活性炭動(dòng)態(tài)吸附法。采用連續(xù)流方式的活性炭層吸附性能可用勃哈特和亞當(dāng)斯所提出的關(guān)系式來(lái)表達(dá)。lnC0C-1=lnexpKN0DV-1-KC0tt=N0C0VD-1C0KlnC0CB式中：t 工作時(shí)間，h；V 流速，m/h ； D 活性炭層厚度，m；K 速度常數(shù)，L/mg·h ；N0 吸附容量、即達(dá)到飽和時(shí)被吸附物質(zhì)的吸附量，mg/L；C0 進(jìn)水中被吸附物質(zhì)濃度，mg/L；CB 允許出水溶質(zhì)濃度，mg/L。當(dāng)工作時(shí)間 t = 0，能使出水溶質(zhì)小于 CB 的碳層理論深度稱(chēng)為活性炭的臨界深度，其值由上式 t = 0推出。D0=VKN0lnC0

5、CB-1碳柱的吸附容量（N0）和速度常數(shù)（K），可通過(guò)連續(xù)流活性炭吸附試驗(yàn)并利用公式 t D 線(xiàn)性關(guān)系回歸或作圖法求出。2.2 活性炭吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)原理動(dòng)力學(xué)研究各種因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響的規(guī)律，研究化學(xué)反應(yīng)過(guò)程經(jīng)歷的具體步驟，即所謂反應(yīng)機(jī)理。它探索將熱力學(xué)計(jì)算得到的可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)性，將實(shí)驗(yàn)測(cè)定的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)宏觀(guān)量間的關(guān)系通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式關(guān)聯(lián)起來(lái)。固體吸附劑對(duì)溶液中溶質(zhì)的吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程可用準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)、韋伯-莫里斯(Weber and Morris)內(nèi)擴(kuò)散模型和班厄姆(B angham)孔隙擴(kuò)散模型來(lái)進(jìn)行描述。（1）基于固體吸附量的拉格爾格倫(Lagergren)準(zhǔn)一級(jí)速率方程是最為常見(jiàn)的，應(yīng)用

6、于液相的吸附動(dòng)力學(xué)方程，模型公式如下：qt=qe1-exp-Kt或lnqe-qt=lnqe-Kt式中：qe 平衡吸附量，mg/g；qt 時(shí)間為t時(shí)的吸附量，mg/g；K 一次方程吸附速率常數(shù)，min-1。以log(qe-qt)對(duì)t作圖，如果能得到一條直線(xiàn)，說(shuō)明其吸附機(jī)理符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。（2）準(zhǔn)二級(jí)速率方程是基于假定吸附速率受化學(xué)吸附機(jī)理的控制，這種化學(xué)吸附涉及到吸附劑與吸附質(zhì)之間的電子共用或電子轉(zhuǎn)移，其公式為：tqt=1Ksqe2+1qet式中Ks為二級(jí)吸附速率常數(shù)以t/qt對(duì)t作圖，如果能得到一條直線(xiàn)，說(shuō)明其吸附機(jī)理符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。（3）韋伯-莫里斯模型常用來(lái)分析反應(yīng)中的控制步驟

7、，求出吸附劑的顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)。其公式為：qt=Kipt12+C式中，C是涉及到厚度、邊界層的常數(shù)。Kip是內(nèi)擴(kuò)散率常數(shù)。qt對(duì)t1/2作圖是直線(xiàn)且經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，說(shuō)明內(nèi)擴(kuò)散由單一速率控制。（4）班厄姆方程常被用來(lái)描述在吸附過(guò)程中的孔道擴(kuò)散機(jī)理，方程盡管是以經(jīng)驗(yàn)式提出，但可認(rèn)為是與Freundlich等溫吸附方程對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程，這可從理論上導(dǎo)出。其公式為：lglgC0'C0'-q'm'=lgk0m'2.303V+lgt 當(dāng)線(xiàn)性擬合得到較好直線(xiàn)，擬合系數(shù)R2大于0.99時(shí)表示此孔道擴(kuò)散模型能較好的表示實(shí)際吸附情況。（5）此外，葉洛維奇(Elovich)方程也

8、是可用來(lái)描述反應(yīng)速率與時(shí)間關(guān)系的動(dòng)力學(xué)方程，其表達(dá)式為：qt=1ln(1+t)2.3 活性炭改性實(shí)驗(yàn)原理普通活性炭比表面積小、孔徑分布不均勻和吸附選擇性能差，故普通活性炭需要進(jìn)一步的改性，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)和工程需要。現(xiàn)在常采用工藝控制和后處理技術(shù)對(duì)活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)表面化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行改性，進(jìn)而提高其吸附性能。改性方法有表面結(jié)構(gòu)的改性以及表面化學(xué)性質(zhì)的改性?xún)纱箢?lèi)?；钚蕴勘砻婊瘜W(xué)性質(zhì)的改性又可分為表面氧化法、表面還原法負(fù)載原子和化合物法以及酸堿改性法三種。本次實(shí)驗(yàn)用硝酸對(duì)活性炭進(jìn)行改性，屬于表面氧化法。硝酸在適當(dāng)?shù)臏囟认聦?duì)活性炭材料表面的官能團(tuán)進(jìn)行氧化，從而提高材料含氧官能團(tuán)的含量，增強(qiáng)材料表面的

9、親水性。常用的氧化劑除了硝酸外，還有HClO和H2O2等。3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試劑表3-1 實(shí)驗(yàn)中所用試劑及說(shuō)明儀器（試劑）數(shù)量振蕩器1 臺(tái)500mL 三角燒杯6 個(gè)烘箱1 個(gè)COD、SS 等測(cè)定分析裝置一套玻璃器皿若干濾紙、活性炭若干有機(jī)玻璃碳柱d=2030mm；H=1.0m配水及投配系統(tǒng)/硫酸亞鐵銨現(xiàn)配催化劑硫酸-硫酸銀重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液亞鐵靈指示劑實(shí)驗(yàn)室配備3.2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-1和圖3-2所示。圖3-1 間歇式活性炭吸附裝置圖3-2 連續(xù)式活性炭吸附試驗(yàn)裝置3.3 實(shí)驗(yàn)步驟3.3.1 活性炭間隙吸附實(shí)驗(yàn)(1) 將某污水用濾布過(guò)濾，去除水中懸浮物或自配污水，測(cè)定該污水的

10、COD、SS等值。(2) 將活性炭放在蒸餾水中浸24h，然后放在105 烘箱中烘至恒重，再將烘干后的活性炭壓碎，使其成為能通過(guò)200目一下篩孔的粉狀炭。因?yàn)榱罨钚蕴恳_(dá)到吸附平衡耗時(shí)太長(zhǎng)，往往需要數(shù)日或數(shù)周，為了使實(shí)驗(yàn)?zāi)茉诙虝r(shí)間內(nèi)結(jié)束，應(yīng)多用粉狀炭。(3) 在6個(gè)500 mI的三角瓶中分別投加0mg、100mg、200mg、300mg、400mg、500mg粉狀活性炭。(4) 在每個(gè)三角瓶中投加同體積的過(guò)濾后的污水，使每個(gè)燒瓶中的COD濃度與活性炭濃度的比值在0.055.0之間。(5) 測(cè)定水溫，將三角瓶放在振蕩器上振蕩，當(dāng)達(dá)到吸附平衡(時(shí)間延至濾出液的有機(jī)物濃度COD值不再改變)時(shí)即可停止

11、振蕩。(時(shí)間一般為30min以上)。(6) 過(guò)濾各三角瓶中的污水，測(cè)定其剩余COD值，求出吸附量q。3.3.2 活性炭吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)(1) 在6個(gè)500mI的錐形瓶中投加500mg粉狀活性炭，再分別加入400mL原水(過(guò)濾后)。(2) 分別在 0min、10min、30min、50min、70min、90min 時(shí)過(guò)濾測(cè)定出水COD，并計(jì)算吸附量。 3.3.3 活性炭改性實(shí)驗(yàn) (1) 稱(chēng)取四組質(zhì)量為 20g 的粉末活性炭，分別放入 200mL 錐形瓶中。 (2) 分別往錐形瓶中添加 100mL 1.2mol/L、3.5 mol/L、7.2 mol/L、13.2 mol/L濃度的硝酸，浸泡粉末活

12、性炭，在常溫下放置 2h，期間不斷晃動(dòng)，后用砂芯漏斗進(jìn)行抽洗，直至活性炭 pH 呈中性，在烘箱中烘干，備用。(3) 在 5 個(gè) 500ml 的錐形瓶中分別投加經(jīng) 1.2mol/L、3.5 mol/L、7.2 mol/L、13.2 mol/L 濃度的硝酸改性的 500mg 粉狀活性炭、未經(jīng)改性的粉末活性炭，再分別加入 400mL 原水（過(guò)濾后）。 (4) 在30min 時(shí)測(cè)定出水的 COD，并計(jì)算吸附量。4 數(shù)據(jù)記錄與整理4.1 活性炭間隙吸附實(shí)驗(yàn)4.1.1 實(shí)驗(yàn)基本數(shù)據(jù)表4-1活性炭間隙吸附實(shí)驗(yàn)基本數(shù)據(jù)水溫：28 水樣體積：400 mL吸附時(shí)間：30 min攪拌強(qiáng)度：350 r/min(NH4

13、)2Fe(SO4)2溶液濃度：0.01294 mol/L4.1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表4-2 活性炭間隙吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄水樣活性炭投加量/mg滴加(NH4)2Fe(SO4)2溶液體積/mLCOD濃度/(mg/L)COD去除量/(mg/L)COD去除率/%吸附量q/(mg/g)蒸餾水/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)40019.4010.352

14、8.9973.6828.99K(500mg)50019.655.1834.1686.8427.334.2 活性炭吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)4.2.1 實(shí)驗(yàn)基本數(shù)據(jù)表4-3活性炭間隙吸附實(shí)驗(yàn)基本數(shù)據(jù)水溫：30 水樣體積：400 mL活性炭投加量：400 mg攪拌強(qiáng)度：350 r/min(NH4)2Fe(SO4)2溶液濃度：0.01082 mol/L4.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表4-4 活性炭吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄水樣吸附時(shí)間t/min滴加(NH4)2Fe(SO4)2溶液體積/mLCOD濃度/(mg/L)COD去除量/(mg/L)COD去除率/%吸附量q/(mg/g)蒸餾水/20.00/原水017.80、17.6

15、038.10、41.56平均 39.830.000.000.00A(10min)1018.47 26.49 13.33 33.48 13.33 A(30min)3018.90 19.05 20.78 52.17 20.78 A(50min)5019.21 13.68 26.15 65.65 26.15 A(70min)7019.32 11.77 28.05 70.43 28.05 A(90min)9019.60 6.93 32.90 82.61 32.90 4.3 活性炭改性實(shí)驗(yàn)4.3.1 實(shí)驗(yàn)基本數(shù)據(jù)表4-3活性炭間隙吸附實(shí)驗(yàn)基本數(shù)據(jù)水溫：31 水樣體積：400 mL活性炭投加量：300 m

16、g攪拌強(qiáng)度：150 r/min吸附時(shí)間：30 min(NH4)2Fe(SO4)2溶液濃度：0.01083 mol/L4.3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表4-4 活性炭吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄水樣硝酸濃度/(mol/L)滴加(NH4)2Fe(SO4)2溶液體積/mLCOD濃度/(mg/L)COD去除量/(mg/L)COD去除率/%吸附量q/(mg/g)蒸餾水/23.65/原水020.10、20.2561.74、59.13平均 60.430.000.000.00B(未改性)021.3040.8719.5732.3726.09 B(1.2)1.221.1543.4816.9628.0622.61 B(3.5)3

17、.521.5536.5223.9139.5731.88 B(7.2)7.221.3540.0020.4333.8127.25 B(13.2)13.221.3040.8719.5732.3726.09 5 數(shù)據(jù)處理與分析5.1 活性炭間隙吸附實(shí)驗(yàn)5.1.1 活性炭投加量與COD去除率關(guān)系以活性炭投加量為橫坐標(biāo)，出水COD濃度、COD去除率為縱坐標(biāo)，繪制活性炭投加量與COD去除率關(guān)系曲線(xiàn)如圖5-1所示。圖5-1 活性炭投加量與COD去除率關(guān)系曲線(xiàn)由圖5-1可看出，隨著粉末活性炭投加量的增大，水樣中COD的出水濃度逐漸下降，100 mg活性炭對(duì)應(yīng)的出水COD濃度為39.34 mg/L，而 500 m

18、g活性炭對(duì)應(yīng)的出水COD濃度為5.18 mg/L；與此相對(duì)應(yīng)，隨著粉末活性炭投加量的增大，水樣的COD去除率逐漸上升，由100 mg活性炭時(shí)的23.68%提升至500 mg活性炭時(shí)的86.84%。這說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)條件下，水中有機(jī)物的去除效果隨著粉末活性炭投加量的增大而加強(qiáng)。這是因?yàn)楫?dāng)加入的活性炭量過(guò)少時(shí)，活性炭?jī)H吸附了少量有機(jī)物就都達(dá)到飽和狀態(tài)，在其他條件不變的情況下，逐漸增加活性炭投加量，能明顯增加有機(jī)物吸附量。而當(dāng)水中有機(jī)物的濃度降低到一定程度時(shí)，再增加活性炭投加量，對(duì)有機(jī)物去除效果的增強(qiáng)作用將不明顯，從圖中后半段曲線(xiàn)斜率所呈的下降趨勢(shì)可驗(yàn)證這一點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)活性炭投加量增加到500 mg時(shí)

19、，水樣的出水COD濃度已降至5.18 mg/L，COD去除率已高達(dá)86.84%，由此我們可預(yù)見(jiàn)繼續(xù)增大活性炭投加量對(duì)本實(shí)驗(yàn)水樣COD去除效果的增強(qiáng)將趨向不明顯。5.1.2 Freundlich方程擬合Freundlich方程常用于活性炭吸附等溫線(xiàn)的擬合，其方程形式為： Freundlich方程為：q=K·C1n為了便于分析，可將該方程變換為：lgq=lgK+1nlgC式中：q 活性炭吸附量，g/g ；C 被吸附物質(zhì)平衡濃度g/L；K、n 溶液的濃度，pH值以及吸附劑和被吸附物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。將q、C相應(yīng)值點(diǎn)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，所得的直線(xiàn)斜率為1/n，截距為K，由此即可求解出Fre

20、undlich方程。因此，需先計(jì)算lgq和lgC的值，結(jié)果如表5-1所示。表5-1 lgq和lgC計(jì)算結(jié)果水樣活性炭投加量/mgCOD/(mg/L)吸附量q/(mg/g)lgClgqK(100mg)10030.0237.271.4774211.571325K(200mg)20022.1534.371.3454371.536161K(300mg)30015.5331.751.1911141.501689K(400mg)40010.3528.991.0150231.462181K(500mg)5005.1827.330.7139931.436627根據(jù)上表數(shù)值，用Freundlich方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

21、進(jìn)行擬合。以lgC為橫坐標(biāo)、lgq為縱坐標(biāo)繪制圖像，并作線(xiàn)性擬合如圖5-2所示，相關(guān)擬合數(shù)據(jù)如表5-2所示。圖5-2 Freundlich方程擬合圖像表5-2 Freundlich方程擬合數(shù)據(jù)Equationy = a + b*xAdj. R-Square0.93468ValueStandard ErrorlgqIntercept1.297220.02749lgqSlope0.177930.02332由表5-2數(shù)據(jù)可知，用Freundlich方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合的相關(guān)系數(shù)R2為0.93468，比較接近1，可見(jiàn)該方程的擬合效果是比較好的，這說(shuō)明Freundlich方程能成功地關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

22、。 擬合直線(xiàn)的斜率為0.17793，截距為1.29722，也即1n=0.17793lgK=1.29722可解得n = 5.62018，K = 3.65911。因此，本實(shí)驗(yàn)活性炭等溫吸附曲線(xiàn)的Freundlich方程為：q=3.65911×C0.177935.1.3 Langmuir方程擬合Langmuir方程基于單分子層吸附，也可用于描述活性炭的等溫吸附曲線(xiàn)，其方程式如下：1q=1qmK·1C+1qm由該式可見(jiàn)，1/q與1/C呈線(xiàn)性關(guān)系，根據(jù)表4-2原始數(shù)據(jù)，對(duì)1/q和1/C進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5-3所示。 表5-3 1/q和1/C計(jì)算結(jié)果水樣活性炭投加量/mgCOD/(mg

23、/L)吸附量q/(mg/g)1/C1/qK(100mg)10030.0237.270.033310.026833K(200mg)20022.1534.370.045140.029096K(300mg)30015.5331.750.06440.0315K(400mg)40010.3528.990.09660.0345K(500mg)5005.1827.330.19320.036591根據(jù)上表數(shù)值，用Langmuir方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。以1/C為橫坐標(biāo)、1/q為縱坐標(biāo)繪制圖像，并作線(xiàn)性擬合如圖5-3所示，相關(guān)擬合數(shù)據(jù)如表5-4所示。圖5-3 Langmuir方程擬合圖像表5-4 Langmui

24、r方程擬合數(shù)據(jù)Equationy = a + b*xAdj. R-Square0.767ValueStandard Error1/qIntercept0.026880.001541/qSlope0.055770.01483由表5-4數(shù)據(jù)可知，用Langmuir方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合的相關(guān)系數(shù)R2僅為0.767，可見(jiàn)該方程的擬合效果較差，用Langmuir方程無(wú)法很好地關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。5.1.4 等溫吸附方程的比較及結(jié)果分析對(duì)比兩種等溫吸附方程的擬合，F(xiàn)reundlich方程擬合的相關(guān)系數(shù)R2為0.93468，而Langmuir方程擬合的相關(guān)系數(shù)R2僅為0.767，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Freundlic

25、h方程，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中活性炭的吸附更符合Freundlich方程?；钚蕴繉?duì)COD的等溫吸附曲線(xiàn)用Langmuir方程擬合效果并不理想，其可能原因如下：Langmuir等溫式是在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的、用于描述氣-固之間吸附的經(jīng)驗(yàn)公式，其假設(shè)之一是被吸附的分子之間不存在相互作用，且吸附只限于單分子層吸附。在本實(shí)驗(yàn)中，液相中吸附質(zhì)之間的距離遠(yuǎn)比氣體分子小，且可能存在各種靜電力作用而相互聚集，吸附質(zhì)之間的作用力是不可忽略不計(jì)的，因此Langmuir吸附模型對(duì)活性炭吸附COD的擬合效果較差。Langmuir吸附模型是由理論推導(dǎo)而來(lái)，對(duì)于單一吸附質(zhì)的擬合效果較好，但本實(shí)驗(yàn)所用水樣并非是單一溶液或是由少數(shù)

26、物質(zhì)混合而成的簡(jiǎn)單混合液，而是包含多種復(fù)雜環(huán)境化合物的河道水，這些化合物會(huì)在吸附過(guò)程中抑制或促進(jìn)目標(biāo)吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附，因此會(huì)影響Langmuir模型的擬合效果。5.2 活性炭吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)5.2.1 吸附時(shí)間與COD去除率關(guān)系以吸附時(shí)間為橫坐標(biāo)，出水COD濃度、COD去除率為縱坐標(biāo)，繪制吸附時(shí)間與COD去除率關(guān)系曲線(xiàn)如圖5-4所示。圖5-4 吸附時(shí)間與COD去除率關(guān)系曲線(xiàn)由上圖可以觀(guān)察到，COD的出水濃度隨吸附時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著下降，最低可達(dá)到6.93 mg/L，而活性炭對(duì)COD的去除率也隨吸附時(shí)間的增長(zhǎng)而顯著增加，最高可達(dá)到82.61%。另外，由該圖COD去除率曲線(xiàn)趨勢(shì)可以看出

27、，實(shí)驗(yàn)吸附后期曲線(xiàn)仍未平緩，說(shuō)明在吸附時(shí)間7090 min間COD去除率隨吸附時(shí)間的增長(zhǎng)效應(yīng)仍很明顯，即粉末活性炭吸附平衡時(shí)間應(yīng)在90 min之后。5.2.2 顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型是吸附動(dòng)力學(xué)常用的擬合模型之一，根據(jù)擬合結(jié)果可判斷吸附劑吸附的類(lèi)型。其方程式如下：qt=Kpt0.5+C根據(jù)表4-4數(shù)值，作出吸附時(shí)間t和吸附量qt的散點(diǎn)圖，并作方程擬合如圖5-5所示，相關(guān)擬合數(shù)據(jù)如表5-6所示。圖5-5 顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合圖像表5-6 顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合數(shù)據(jù)Equationy =K*x0.5+CAdj. R-Square0.98622ValueStandard Er

28、rorBK3.367840.17777BC1.362311.1475由表5-6數(shù)據(jù)，顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合的相關(guān)系數(shù)為R2 = 0.98622，非常接近1，該模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果較好，說(shuō)明活性炭對(duì)水樣中COD的吸附以孔內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程為控制吸附速率的主要因素，這與液相吸附的特點(diǎn)相符合。5.2.3 準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程擬合準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程是吸附動(dòng)力學(xué)擬合的常用方程之一，其表達(dá)式如下：qt=qe1-exp-Kt或lnqe-qt=lnqe-Kt式中：qe 平衡吸附量，mg/g ；qt 時(shí)間為t時(shí)的吸附量，mg/g ；K 一次方程吸附速率常數(shù)，min-1。在運(yùn)用準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合時(shí)，一般有非線(xiàn)

29、性和線(xiàn)性擬合兩種方法。非線(xiàn)性擬合對(duì)應(yīng)第一個(gè)表達(dá)式，它是直接對(duì)qt、t數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合結(jié)果可求得平衡吸附量qe和速率常數(shù)K。線(xiàn)性擬合對(duì)應(yīng)第二個(gè)表達(dá)式，它是假定實(shí)驗(yàn)吸附后期已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，即qe取吸附后期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)qt，然后對(duì)ln(qeqt)與t 進(jìn)行線(xiàn)性擬合，從而求出速率常數(shù)K。一般而言，前一種方法求解的結(jié)果遠(yuǎn)比后者準(zhǔn)確，因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)知平衡吸附量qe的，且在實(shí)驗(yàn)中活性炭吸附真正達(dá)到平衡需要較長(zhǎng)時(shí)間，而在實(shí)驗(yàn)中實(shí)際的吸附時(shí)間往往是達(dá)不到平衡時(shí)間的，因此若先假定qe為吸附后期的吸附量qt將存在較大的誤差。由對(duì)吸附時(shí)間與COD去除率關(guān)系曲線(xiàn)（圖5-4）可知本實(shí)驗(yàn)在吸附

30、時(shí)間達(dá)到90 min時(shí)仍未達(dá)到吸附平衡，因此采用非線(xiàn)性擬合法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。根據(jù)表4-4數(shù)值，作出吸附時(shí)間t和吸附量qt的散點(diǎn)圖，并作方程非線(xiàn)性擬合如圖5-6所示，相關(guān)擬合數(shù)據(jù)如表5-7所示。圖5-6 準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程擬合圖像表5-7 準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程擬合數(shù)據(jù)Equationy = a*(1 - exp(-b*x)Adj. R-Square0.96699ValueStandard Errorqta31.372042.16276qtb0.040520.00895由表5-7數(shù)據(jù)可知，用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合的相關(guān)系數(shù)R2為0.96699，比較接近1，因此可認(rèn)為該方程的

31、擬合效果是比較好的。由表中數(shù)據(jù)可算出準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合方程為：qt=31.37204×1-exp-0.04052t其中qe=31.37204 mg/g31.37 mg/gK=0.04052min-15.2.4 準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程擬合準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程也是吸附動(dòng)力學(xué)擬合常用的模型之一，其建立在化學(xué)反應(yīng)或通過(guò)電子共享、得失的化學(xué)吸附的基礎(chǔ)上，其包含了吸附的所有過(guò)程，如外部液膜擴(kuò)散、表面吸附和顆粒內(nèi)擴(kuò)散等。其方程表達(dá)式為：tqt=1Kqe2+1qet式中：qe 平衡吸附量，mg/g；K 二次方程吸附速率常數(shù)，min-1。根據(jù)準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，以t/qt對(duì)t作圖，如果能得到一條直線(xiàn)

32、，說(shuō)明其吸附機(jī)理符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。因此，需先對(duì)t/qt 進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5-8所示。表5-8 t/qt計(jì)算結(jié)果水樣吸附時(shí)間t/min吸附量q/(mg/g)t/qtA(10min)1013.33 0.75 A(30min)3020.78 1.44 A(50min)5026.15 1.91 A(70min)7028.05 2.50 A(90min)9032.90 2.74 根據(jù)上表數(shù)值，以吸附時(shí)間t為橫坐標(biāo)、t/qt為縱坐標(biāo)繪制圖像，并作線(xiàn)性擬合如圖5-7所示，相關(guān)擬合數(shù)據(jù)如表5-9所示。圖5-7準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程擬合圖像表5-9 準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程擬合數(shù)據(jù)Equationy = a

33、 + b*xAdj. R-Square0.97138ValueStandard Errort/qtIntercept0.611710.12336t/qtSlope0.025110.00215由表5-9可知，準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)線(xiàn)性擬合的相關(guān)系數(shù)R2為0.97138，比較接近1，因此可認(rèn)為該方程的擬合效果也是比較好的。由表中數(shù)據(jù)可算出準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合方程為：tqt=0.61171+0.02511t此外還可求得qe=39.82 mg/gK=0.001031min-15.2.5 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的比較及結(jié)果分析對(duì)比兩種反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的擬合，準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程擬合的相關(guān)系數(shù)R2為0.96699，而準(zhǔn)二

34、級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程擬合的相關(guān)系數(shù)R2僅為0.97138，比準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程稍高，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中活性炭的吸附更符合準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。一級(jí)動(dòng)力學(xué)是指反應(yīng)速率與一種反應(yīng)物濃度呈線(xiàn)性關(guān)系，二級(jí)動(dòng)力學(xué)指反應(yīng)速率與兩種反應(yīng)物濃度呈線(xiàn)性關(guān)系。準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)是指眾多因子中存在一種因子決定反應(yīng)速率或理論上不是一級(jí)動(dòng)力學(xué)但可以相當(dāng)于一級(jí)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)稱(chēng)為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)與二級(jí)動(dòng)力學(xué)的區(qū)別同上。實(shí)驗(yàn)中的水樣取自河道水，其中有機(jī)物種類(lèi)繁多且組成復(fù)雜，活性炭吸附的有機(jī)物多樣，由單因子決定活性炭吸附速率的可能性遠(yuǎn)比雙因子或多因子小，因此本實(shí)驗(yàn)中活性炭對(duì)水中COD的動(dòng)態(tài)吸附過(guò)程更符合準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。5.3 活

35、性炭改性實(shí)驗(yàn)以硝酸濃度為橫坐標(biāo)，COD去除率為縱坐標(biāo)，繪制吸附時(shí)間與COD去除率關(guān)系曲線(xiàn)如圖5-8所示。圖5-8 硝酸濃度與COD去除率關(guān)系曲線(xiàn)由上圖可以觀(guān)察到，當(dāng)用1.2 mol/L硝酸改性時(shí)，COD去除率反而比未改性活性炭低，說(shuō)明用低濃度的硝酸改性對(duì)活性炭吸附COD沒(méi)有改進(jìn)效果；當(dāng)用3.5 mol/L硝酸改性時(shí)，COD去除率明顯比未改性時(shí)高，且在本實(shí)驗(yàn)中為最高，說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)中用3.5 mol/L硝酸改性對(duì)活性炭吸附COD有最好的改進(jìn)效果；當(dāng)繼續(xù)增大硝酸濃度至7.2 mol/L、13.2 mol/L時(shí)，COD去除率逐漸下降，說(shuō)明隨著硝酸濃度的進(jìn)一步上升，對(duì)活性炭吸附COD的改進(jìn)效果逐漸下降，

36、硝酸濃度為13.2 mol/L時(shí)，COD去除率與未改性時(shí)相同，此時(shí)對(duì)活性炭吸附COD沒(méi)有改進(jìn)作用。此外，本實(shí)驗(yàn)中，最高COD去除率為39.57%，最低COD去除率為28.06%，兩者之間相差不大，說(shuō)明使用不同濃度硝酸改性對(duì)改善活性炭吸附COD效果的作用無(wú)明顯差異；最高COD去除率39.57% 并不是很高，與原水的COD去除率32.37%相差也不是很大，這說(shuō)明使用硝酸改性對(duì)改善活性炭吸附COD效果無(wú)明顯作用。綜上分析，硝酸濃度與COD去除率之間的關(guān)系并無(wú)明顯規(guī)律，利用硝酸改性對(duì)改善活性炭吸附COD效果無(wú)明顯作用，造成該現(xiàn)象的可能原因如下：利用硝酸改性活性炭，除了硝酸濃度可能對(duì)改性效果造成影響之外

37、，溫度和處理時(shí)間也可能對(duì)改性效果造成影響，溫度和處理時(shí)間對(duì)活性炭吸附性能的影響因吸附質(zhì)而異。很可能本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)的環(huán)境溫度與所選取的處理時(shí)間剛好不是改善活性炭吸附COD性能的適宜溫度和適宜處理時(shí)間，因而改性后活性炭吸附性能無(wú)明顯變化。氧化改性可增強(qiáng)活性炭對(duì)CO2、SO2、苯、金屬離子等極性較強(qiáng)的物質(zhì)的吸附，但減弱了對(duì)苯酚、腐殖酸等以疏水性為主的有機(jī)物的吸附。天然水體中普遍存在化學(xué)性質(zhì)和組成復(fù)雜的有機(jī)物，有機(jī)物的種類(lèi)和濃度各異，極性強(qiáng)弱存在差異。實(shí)驗(yàn)中的水樣取自天然河道，其有機(jī)物組成復(fù)雜，硝酸改性對(duì)活性炭吸附這些有機(jī)物的效果部分呈增強(qiáng)作用，部分呈減弱作用，而綜合吸附效果可能剛好無(wú)明顯的增強(qiáng)作用或減

38、弱作用。根據(jù)文獻(xiàn)資料（金璇，馬魯銘等，表面化學(xué)改性活性炭對(duì)有機(jī)物吸附的研究進(jìn)展），強(qiáng)酸氧化改性活性炭吸附有機(jī)物，若吸附是在水溶液中進(jìn)行，由于活性炭表面酸性含氧基團(tuán)大量增加，與水的親和力增大，由于水的競(jìng)爭(zhēng)吸附，不利于有機(jī)物的吸附；有機(jī)物吸附量與活性炭表面的酸度無(wú)規(guī)律性關(guān)系，但和表面的羥基和酚羥基有密切關(guān)系，羥基和酚羥基增多，吸附量增大，羥基和酚羥基減少，吸附量降低。本實(shí)驗(yàn)中用硝酸改性活性炭吸附河道水水樣中的COD，不僅對(duì)COD去除無(wú)改善作用，還很可能對(duì)COD去除產(chǎn)生負(fù)影響。6 誤差分析(1) 實(shí)驗(yàn)中對(duì)原水的過(guò)濾是在兩套抽濾裝置中進(jìn)行的，抽濾裝置的真空壓力不同、更換濾紙的頻率不同，將使兩套裝置對(duì)原

39、水的過(guò)濾效果產(chǎn)生差別，因而原水中的初始COD濃度也將產(chǎn)生些許差別，這將對(duì)出水COD的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定影響。因此，最好將過(guò)濾后的所有原水充分混合再分裝到各燒杯中。(2) 前兩次實(shí)驗(yàn)中由于經(jīng)驗(yàn)不足，將活性炭的攪拌速度控制為350 r/min，這個(gè)速度對(duì)于400 mL的水樣是偏高的。攪拌速度偏高的情況下，活性炭粒子間很可能產(chǎn)生相互碰撞和摩擦，這將對(duì)活性炭的物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，從而影響活性炭的吸附性能。(3) 在過(guò)濾操作中，有時(shí)選到的抽濾裝置密封效果不佳，需要人為用手壓著漏斗才能保證有足夠的真空度。在最開(kāi)始倒加水樣時(shí)往往由于人力不足，無(wú)法在用手倒水樣同時(shí)壓著漏斗，因而導(dǎo)致初始真空度不足，這將使得初始過(guò)濾

40、時(shí)有一小部分ss通過(guò)濾紙與漏斗壁之間的縫隙進(jìn)入瓶中，對(duì)過(guò)濾效果產(chǎn)生影響。(4) 實(shí)驗(yàn)中，為了加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，過(guò)濾了一定量原水后就開(kāi)始往燒杯中裝原水，而等到再次往剩下的燒杯中裝原水時(shí)，之前燒杯中的原水已與活性炭接觸混合了一定時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)活性炭可能已吸附了一定量的有機(jī)物，這將使得提前裝好的水樣測(cè)得的COD值偏低。(5) 配制、稱(chēng)量各類(lèi)藥品時(shí)會(huì)有一定的誤差。(6) 在滴定過(guò)程中，由于人眼對(duì)顏色的分辨有限，因此對(duì)滴定終點(diǎn)的判斷會(huì)存在誤差。7 思考與討論7.1 影響活性炭對(duì)水中有機(jī)物吸附量的因素由于活性炭水處理所涉及的吸附過(guò)程和作用原理較為復(fù)雜，因此影響因素也較多。王要與活性炭的性質(zhì)、水中污染物的性

41、質(zhì)、活性炭處理的過(guò)程原理一級(jí)選擇的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)與操作條件等有關(guān)。影響活性炭對(duì)水中有機(jī)物的吸附量有如下因素：（1）活性炭的結(jié)構(gòu)及特性因?yàn)榛钚蕴繉?duì)水中有機(jī)物的吸附是一種表面現(xiàn)象，所以活性炭的孔徑、孔容分布及比表面積影響吸附容量。細(xì)孔越多，比表面積越大，吸附量也越大，但除去高分子有機(jī)物的效果較差。（2）被吸附有機(jī)物的性質(zhì)有相同的活性炭對(duì)不同的有機(jī)物吸附，其吸附量與吸附速度都有明顯差別，這主要與有機(jī)物在水中的溶解度、相對(duì)分子質(zhì)量大小和濃度高低等因素有關(guān)?；钚蕴繉?duì)有機(jī)物的吸附特點(diǎn)可以概括為：對(duì)芳香族有機(jī)物的吸附優(yōu)于非芳香族有機(jī)物（因?yàn)榉枷阕逵袡C(jī)物能使溶液表面張力降低，因而容易被吸附）；對(duì)分子量大的有機(jī)物吸附優(yōu)于分子量小的有機(jī)物（一般水中有機(jī)物的分子量增加，吸附量也增加，但分子量增大到一定程度時(shí)，因擴(kuò)散速度減慢，反而使吸附量和吸附速度降低。)對(duì)水中溶解度小的有機(jī)物吸附優(yōu)于溶解度大的有機(jī)物，因?yàn)榛钚蕴渴且环N憎水性物質(zhì)，所以憎水性強(qiáng)的有機(jī)物越容易被吸附，有機(jī)物的憎水性越強(qiáng)，在水中的溶解度就越小。（3）水的PH值 由于天然水中的有機(jī)物主要為有機(jī)酸，而有機(jī)酸在低PH值下電離較小，因?yàn)榛钚蕴繉?duì)分子態(tài)的弱電解質(zhì)對(duì)離子態(tài)的吸附量大，所