活性炭吸附

第三章 活性炭吸附
求活性炭的容量传质系数
活性炭的容量传质系数ka，一般通过用初始有机物浓度ρ 的水样， 活性炭的容量传质系数ka，一般通过用初始有机物浓度ρ1的水样， ka 每升加活性炭mg做吸附试验，由吸附试验可以得出下列物料衡算关系： mg做吸附试验 每升加活性炭mg做吸附试验，由吸附试验可以得出下列物料衡算关系： 在时刻t水样中有机物的减少速率=在时刻t 在时刻t水样中有机物的减少速率=在时刻t活性炭吸附有机物的增 加速率， 加速率，即
x = m B( x / m) 0 ρ e ρ ( ρ s ρ e ) 1 + ( B 1) e ρs
★BET公式为： 公式为： 公式为
1 x 公式为： ★Freundlich公式为： 公式为 = K f ρe n m
第三章 活性炭吸附
§3-3 Langmuir 公式的推导
被吸附的物 质只有一层 分子厚 只考虑在单 层内的平衡 关系
的金属离子部 位带有正电荷， 对那些带有过 剩电子部位的 分子有吸附力， 可以增加活性 炭吸附的速率。
第三章 活性炭吸附
活性炭的吸附作用
对芳族化合 物的吸附
非极性的 链烷化合 物在活性 炭表面的 吸附。
有关极性 分子氨基 酸及蛋白 质的吸附 资料极少
活性炭对于 吸附无机物 也有一定的 潜力
活性炭的吸 附性能是由 于它的表面 基团类型、 比表面积和 孔径的分布 决定的。
当代给水与废水处理原理
宋晓梅
教授
安徽理工大学地球与环境学院
第三章 活性炭吸附
§3-1 活性炭的性能
活性炭的来源 活性炭几乎可以用含有碳的任何物质做原料来制造，这包括木材、 锯末、煤、泥炭、果壳、果核、蔗渣、骨、石油焦、皮革废物、纸厂 废物等等。 活性炭的制作 活性炭的制作分碳化及活化两步。 碳化的定义 碳化也称热解，是在隔绝空气的条件下对原材料加热，一般温度 在600℃以下。有时原材料先经无机盐溶解处理后再碳化。 活化的定义 活化是在有氧化剂的作用下，对碳化后的材料加热，以生产活性 炭产品。当氧化过程的温度在800-900℃时，一般用蒸汽或二氧化碳为 氧化剂；当氧化温度在600℃以下时，一般用空气做氧化剂。
第三章 活性炭吸附
上图表示吸附带刚达到吸附柱底时（相当于运行恰好达吸附周期）， 上图表示吸附带刚达到吸附柱底时（相当于运行恰好达吸附周期）， 其中活性炭吸附量沿吸附带高度的分布曲线， 其中活性炭吸附量沿吸附带高度的分布曲线，由底部值逐渐增大为顶 部的，与运行时间的出水浓度相对应。 部的，与运行时间的出水浓度相对应。 图中的面积ABC， 时所剩余的吸附容量。 图中的面积ABC，代表了吸附带在 t b 时所剩余的吸附容量。 ABC 为了便于处理关系，在建立ka与泄露曲线的关系时，流量Q/A按换 为了便于处理关系，在建立ka与泄露曲线的关系时，流量Q/A按换 ka与泄露曲线的关系时 Q/A .min表示 表示。 算成F 算成Fm kg/m2.min表示。从 流量F 流量Fm 中所去除的有机物 =每分钟在活性炭容积中所吸附的有机物量 假定： 假定：
公式为一条通过原点的直线方程，又令ρ=ρ 公式为一条通过原点的直线方程，又令ρ=ρ1，该直线通过吸附 等温线的（x/m） 因此可以求出ρ 这一条直线称作操作线。 等温线的（x/m）ρ1点，因此可以求出ρs来，这一条直线称作操作线。
第三章 活性炭吸附
从图中可以看出，对同一吸附值x/m，可以从等温线及操作线得出平衡 从图中可以看出，对同一吸附值x/m， x/m 浓度ρe及ρ1,即在x/m时，存在浓度差（ρ-ρe）,即吸附的推动力， 浓度ρ 即在x/m时 存在浓度差（ 即吸附的推动力， x/m 由
容量传质系数 为了更方便的研究，我们将单位容积活性炭所具有的吸附面积a 为了更方便的研究，我们将单位容积活性炭所具有的吸附面积a与 反应速率k相乘，得到一个组合参数ka 称为容量传质系数，其纲量为: ka， 反应速率k相乘，得到一个组合参数ka，称为容量传质系数，其纲量为:
ka代表单位体积活性炭在单位时间内所吸收的杂质量。 ka代表单位体积活性炭在单位时间内所吸收的杂质量。 代表单位体积活性炭在单位时间内所吸收的杂质量 活性炭的容量传质系数可以通过实验得出。 活性炭的容量传质系数可以通过实验得出。 当这个系数已知后，就能够确定吸附柱所需要的活性炭总体积。 当这个系数已知后，就能够确定吸附柱所需要的活性炭总体积。 但这需要知道吸附柱的吸附容量、 但这需要知道吸附柱的吸附容量、吸附柱的吸附过程曲线与容积传质 系数三者间的关系。 系数三者间的关系。
第三章 活性炭吸附
碳 化 的 作 用 使原材料分解放出水气、一氧化碳、 ①使原材料分解放出水气、一氧化碳、二氧化碳及氢 等气体； 等气体； 使原材料分解成碎片，并重新结合成稳定的结构。 ②使原材料分解成碎片，并重新结合成稳定的结构。
活 化 的 作 用
在活化过程中，烧掉了碳化时吸附的碳氢化合物， 在活化过程中，烧掉了碳化时吸附的碳氢化合物， 把原有空隙边上的碳氢原子烧掉， 把原有空隙边上的碳氢原子烧掉，起了扩大孔隙的作 并把孔隙与孔隙之间烧穿。 用，并把孔隙与孔隙之间烧穿。活化使活性炭变成一 种良好的多孔结构。 种良好的多孔结构。
推导的假定
被吸附物质 的颗粒和水 分子一样大
每个被吸附 颗粒占面积
σ0
第三章 活性炭吸附
Langmuir公式推导的图示 Langmuir公式推导的图示
第三章 活性炭吸附
Langmuir公式推导：
在达到平衡时，存在下列关系: 在达到平衡时，存在下列关系: 未被吸附的物质颗粒数目+被吸附的水分子数目==被吸附物质颗粒 的数目+未被吸附的水分子数目 得到Langmuir公式为： 得到
第三章 活性炭吸附
吸附柱的设计
建立吸附柱过程曲线与容量传质系数的关系主要是找出这一曲线 形末端与容量传质系数间的关系。 的S形末端与容量传质系数间的关系。这一关系可以通过分析从吸附带 厚度δ到达柱底（此时吸附柱到达吸附周期） 厚度δ到达柱底（此时吸附柱到达吸附周期）起到它的吸附能力完全 耗竭止（即到达耗竭时间）的吸附能力消失过程。 耗竭止（即到达耗竭时间）的吸附能力消失过程。 吸附能力的消失也就是吸附带的消失, x/m值AC线从tb起不断向 线从tb 吸附能力的消失也就是吸附带的消失,即x/m值AC线从tb起不断向 下运动，最后在运行时间tx到达吸附柱底，曲线C点与B点重合， tx到达吸附柱底 下运动，最后在运行时间tx到达吸附柱底，曲线C点与B点重合，吸附 带消失。 带消失。
第三章 活性炭吸附
活性炭的影响因素
◆与活性炭吸
◆活性炭表面
◆酸性氧化物
◆活性炭表面
附能力最直接 的因素是表面 的氧化物复体 的性能。 的性能。最简 单的复体可以 认为是一氧化 碳和二氧化碳 的复体。 的复体。
氧化物的成分 主要受活化过 程的影响。 程的影响。
使活性炭具有 极性的性质， 极性的性质， 因之倾向于吸 附极性较强的 化合物。 化合物。
Fm dρ = Ka ( ρ ρ em ρ dρ y= Ka ∫ρ b ρ ρ e
Fm ρ x` dρ δ= Ka ∫ρb ρ ρ e
ρ y f = ∫ (1 ) d ( ) ρ1 δ 0
1
可以计算吸附带高度，吸附的有效容积及饱和百分数。 可以计算吸附带高度，吸附的有效容积及饱和百分数。
dρ m = ka × ( ρ ρ e ) × dt ρC
对上式积分得: 对上式积分得:
lg
ρ1 ρ e mka = t ρ ρ e 2.303 ρ c
由此式可以绘成如右图所 示的直线， 示的直线，由直线的斜率 可求出ka值来。 ka值来 可求出ka值来。
第三章 活性炭吸附
吸附柱的泄漏和衰耗过程
如果将出水的有机物浓度与吸附柱的产水量与相应的运行时间的 关系绘成曲线，则得下图的吸附过程曲线。 关系绘成曲线，则得下图的吸附过程曲线。 图中表示了出水有机 物浓度从零开始逐渐增加 的过程。 的过程。 ★允许的最高出水浓度则 称为吸附柱的泄漏浓度。 称为吸附柱的泄漏浓度。 ★相应的运行时间称为吸 附周期。 附周期。 ★出水浓度达到 ρ x 时称为 耗竭， 耗竭，这时吸附柱所吸附 有机物质了代表了吸附柱 所具有的总吸附能力。 所具有的总吸附能力。
第三章 活性炭吸附
§3-2 吸附等温线
第一种类型的等温线，ρ e 没有极限值，但 x m 却有一 极限值 ( x m)0，这种类型的吸附试验资料可用 Langmuir公式处理。 第二类型的等温线，ρ e 有一个极限值 ρ s ，称为饱和浓 度，但x/m却没有极限值。这种类型的等温线可用 Branauer和Emmett及Teller（简称BET）公式处理。
第三章 活性炭吸附
BET公式的图解法如下： BET公式的图解法如下： 公式的图解法如下 求Freundlich公式的常数： Freundlich公式的常数： 公式的常数
第三章 活性炭吸附
§3-5 吸附柱的设计
活 性 炭 吸 附 柱 设 计 的 类 型
重力固定床
压力固定床
流化床
第三章 活性炭吸附
吸附 等温 线的 类型
第三类型的等温线，ρ e 和 x m 都没有极限值，可用 Freundlich公式处理。
第三章 活性炭吸附
常见的吸附等温线有三种类型， 常见的吸附等温线有三种类型，每种类型对应于一种吸 附公式，如下图所示。 附公式，如下图所示。
第三章 活性炭吸附
处理吸附等温线的公式
b ( x m )0 ρ e x = 公式为： ★Langmuir公式为： 公式为 1 + bρe m
x b( x m )0 ρ e = m 1 + bρe
第三章 活性炭吸附
§3-4 吸附公式的应用 求吸附公式Langmuir中的常数
每个吸附公式都包含了两个常数， 每个吸附公式都包含了两个常数，这些常数可以通过数学方法处 理试验数据得出，最常用的是图解法。 理试验数据得出，最常用的是图解法。用某一种活性炭做吸附试验所 得的数据往往只符合一个吸附公式，这可在图解法中很清楚地看出来。 得的数据往往只符合一个吸附公式，这可在图解法中很清楚地看出来。 小于1 大于1 图1中 ρ c 小于1 ，图2中 ρ c 大于1。