矿化垃圾固定床吸附过程和穿透曲线预测

Adsorption of phenols on an aged 2refuse f ixed 2bed and m odels for pred iction of breakthrough curves
ZHAO Tiantao
1, 2, 3
, ZHANG L ijie , QUAN Xuejun , ZHAO Youcai ,WANG Fup ing
基金项目 : 重庆市科技攻关项目 (No. 2005AC7107)
Supported by the Key Program of Science and Technology in Chongqing (No. 2005AC7107)
作者简介 : 赵天涛 ( 1976 —) ,男 ,讲师 (博士研究生 ) , E 2mail: zhaott@ cqit . edu. cn; 3 通讯作者 (责任作者 )
矿化垃圾作为一种生物吸附介质已被越来越 多地 应 用 于 污 水 处 理 领 域 ( Zhao et a l . , 2002;
2004 ) ,以矿化垃圾作为填充介质的生物反应床 , 具
有吸附 容 量 大 、 生物总量多、 接触时间长等特点 ( Zhao et a l . , 2007 ) . 相对于传统处理方法 , 矿化垃 圾不仅在难降解有机物的去除及运行成本的节省 方面具有较大优势 , 而且由于生物床可以将吸附和
1 引言 ( Introduction )
降解分阶段进行 ,从而可以实现比传统工艺更低的 排放浓度 . 穿透曲线的预测是固定床吸附过程设计与操 作的基础 (孙彦 , 2005 ) . 尽管很多模型可以用来预 测穿透曲线 , 但大多过于复杂 ( Slaney et a l . , 1998; Tsai et a l . , 1999 ) , 不适于工程放大等应用 . 本研究 中以固定床轴向扩散模型和等温吸附方程为理论 基础 ( Roger et a l . , 2003 ) , 推导了穿透曲线的数学 模型 ,并以工业废水中常见的苯酚和对氯苯酚作为
矿化垃圾固定床吸附过程和穿透曲线预测
赵天涛
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,张丽杰 ,全学军 ,赵由才 ,王富平
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1. 重庆工学院生物工程学院 , 重庆 400050 2. 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室 , 上海 200092
收稿日期 : 2007 207 225 修回日期 : 2007 212 216 录用日期 : 2008 205 221 摘要 : 以轴向扩散模型和恒定图式假设为基础 ,推导出了适用于预测固定床穿透曲线的积分模型 . 通过动态循环法对苯酚和对氯苯酚在矿化垃 圾中的吸附行为进行了研究 ,采用 Freundlich等温吸附方程描述穿透曲线 ,并得到了便于应用的代数模型 . 通过不同条件下固定床实验来确认 模型 ,结果证实模型可以很好地描述穿透曲线 . 同时讨论了操作参数和矿化垃圾特性对穿透曲线的影响 , 结果表明 ,较低的进料浓度和进料流 量以及内扩散和轴向扩散的影响都会造成实际穿透曲线与预测穿透曲线之间的偏差 . 关键词 : 穿透曲线 ; 固定床吸附 ; 矿化垃圾 ; 数学模型 文章编号 : 0253 2 2468 ( 2008) 08 21599 205 中图分类号 : X131 文献标识码 : A
- 1
图 1 固定床吸附过程的轴向扩散模型
Fig . 1 Axial diffusion model for fixed 2bed adsorp tion
τ= t -
z uc
( 7)
对液相薄层微元做物料衡算得式 ( 1 ) : 5c 5c 5c ε S d z = uc - D z ε S - u c + dz 5z c 5z 5t c
τ τ 由式 ( 7 )可知 : d t = d ; d z = - uc d 然后代入式 ( 3 )中 ,得 : dc dc dq ε ( 8) + uε +ρ = 0 c τ 0 c - uc d τ τ d d 整理上式 ,从流出前沿 ( c = 0, q = 0 ) 至固定床 内任意位置 ( c = c, q = q)积分 : c q ρ dq u0 d c ( 9) + =0 1 0 0 ε d τ τ d c uc
28 卷
吸附质 ,进行了矿化垃圾固定床穿透曲线的实验验 证 . 通过操作参数和矿化垃圾特性对穿透曲线影响 的研究 ,旨在对矿化垃圾固定床的设计放大提供相 关的理论依据 .
2 模型 (model)
柱内任何位置都处于平衡状态 , 即固相吸附和液相 传质速率相同 ,故可得以下方程 : 5q 3 ρ =ε ( 4) cK Lα ( c - c ) 5t 式中 , KL为液相传质系数 ;α为单位体积吸附剂的传
- Dz
5c 5 (1) c + dz ε cS - (1 -ε c ) S d zTr 5z 5z
式中 ,ε c为固定床液相的体积分数 , 即床层的空隙
2 率 ; S 为 柱 截 面 积 为 ( cm ) ; U 为 流 体 空 塔 流 速 - 1 - 1 ( cm3 ・s ) ; u 为进料线速度 ( cm・s ) , u = U /S ; D z 2 - 1 为轴向扩散系数 ( cm ・s ) ; L 为床层高度 ( cm ) ; TR
B iography: ZHAO Tiantao ( 1976 —) , male, lecturer( Ph. D. candidate) , E 2 mail: zhaott@ cqit . edu. cn; 3 Correspond in g author
1600
环 境 科 学 学 报
1
1
2
1
1. School of B ioengineering, Chongqing Institute of Technology, Chongqing 400050 2. School of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092 Rece ived 25 July 2007; rece ived in revised form 16 December 2007; accepted 21 May 2008 Abstract: Adsorp tion of phenol and 4 2chlorophenol by an aged 2refuse fixed bed was studied using dynam ic circulation. The corresponding integral model for p rediction of the breakthrough curves was developed based on the axial diffusion model and constant2 pattern wave app roach theory . The Freundlich model was adop ted to describe the breakthrough curves and an algebraic model was thus established. Fixed 2bed tests were performed under different conditions to verify the model and the results showed that the model described the breakthrough curves well . The effects of the operating parameters and the characteristics of the aged 2refuse on the breakthrough curves are also discussed. The differences between the observed and p redicted curves of the effluents indicate that the developed models may be contributed to the lower feed flow rate and concentration, intraparticle diffusion of phenol in the aged 2 refuse, and axial diffusion of phenol . Keywords: breakthrough curve; fixed 2bed adsorp tion; aged 2refuse; mathematical model
- 1 3 质面积 ; KLα为液相总传质系数 ( s ) ; c 为固液界
固定床吸附操作多采用轴向扩散模型 (见图 1 ) 分析 ,即在理想的平推流流动中叠加一个轴向返 混 ,返混程度由扩散系数表示 .
面平衡溶质浓度 (m g ・ L ). 对于描述吸附平衡状态的方程一般都认为 , 当 溶质在固液两相中达到平衡时 , 吸附剂上的平衡吸 附质浓度 q 是液相游离溶质浓度 c 和温度 T 的函 数 ,即 : ( 5) q = f ( c, T ) 一般吸附操作在恒温条件下进行 , 即温度保持 不变 ,此时 q只是 c的函数 ,即 : ( 6) q = f ( c) 根据恒定图式假设 , 对于优惠型吸附可满足恒 定图式假设 , 即柱内溶质的移动速度 uc为常数 , 浓 度波的 形 状 与 操 作 时 间 或 床 层 深 度 无 关 ( Roger et a l . , 2003 ) . 积分变量变换 ,令 :
(2)
得:
1-cF +( 11 )由式 ( 10 )和式 ( 11 )相比得 :
q c = qF cF
在大多数实际吸附过程中 , 认为内扩散 (孔扩 散和表面扩散 ) 为控制步骤 . 模型简化中假设固相 为均相扩散 ,即每个固定床薄层上的 q 可以看作是 均匀的 ,因此 , TR可以表示为微分形式 ( 5q / 5 t) . 忽略 式 ( 2 )右边的第 1 项 ,式 ( 2 )可简化为 : 5c 5c 5q ε ε (3) +u +ρ = 0 c c 5t 5z 5t - 1 式中 , q为吸附剂中溶质含量 ( m g ・ g ) ;ρ指固定床 的密度 ( g ・ L ). 假设固相与液相中的溶质浓度在任何时间 、 在
Zhao T T, Zhang L J, Quan X J, et a l . 2008. Adsorp tion of phenols on an aged2refuse fixed 2bed and models for p rediction of breakthrough curves [ J ]. Acta Scientiae Circum stantiae, 28 ( 8) : 1599 - 1603
- 1
( 12 )
由式 ( 4 ) ,式 ( 6 ) ,式 ( 12 )可得 : ρ 整理得 :
第 28 卷第 8 期
2008 年 8 月
环 境 科 学 学 报 Acta Scientiae Circum stantiae
Vol . 28, No. 8 Aug . , 2008
赵天涛 ,张丽杰 ,全学军 ,等 . 2008. 矿化垃圾固定床吸附过程和穿透曲线预测 [ J ]. 环境科学学报 , 28 ( 8) : 1599 - 1603
∫
∫
得:
1-
u0 uc u0 uc
c+
为液固界面传质速率 (mg ・ cm ・s ) . 整理方程得 : 2 c 5c 5c 5c 1 - ε = Dz 2 - u TR ε 5t 5z 5z c
- 3
- 1
ρ q =0 ε c ρ qF = 0 ε c
( 10 )
在边界条件 c = cF 时 , q = qF ,方程同样成立 .