第六章活性炭吸附

第六章、活性炭吸附

活性炭吸附是有效的去除水的臭味、天然和合成溶解有机物、微污染物质等杂质的措施。大部分比较大的有机物分子、芳香族化合物、卤代烃等都能牢固的吸附在活性炭表面上或孔隙中，并对腐殖质、合成有机物和低分子量有机物有明显的去除效果。实践证明，活性炭可降低总有机炭TOC、总有机卤化物TOX和总三卤甲烷TTHM等指标。

一、活性炭性能

1、活性炭的制造

活性炭几乎可以用含有碳的任何物质做原材料来制造，这包括木材、锯末、煤、泥炭、果壳、果核、蔗渣、骨、石油脚、皮革废物、纸厂废物等等。近来有的国家倾向于用天然煤和焦炭制造粒状活性炭。活性炭的制造分成碳化及活化两步。（1）碳化也称热解，是在隔绝空气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液处理后再碳化。碳化有多种作用，一是使原材料分解放出水气、一氧化碳、二氧化碳及氢等气体，第二个作用是使原材料分解成碎片，并重新集合成稳定的结构。

（2）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，一般用蒸气或CO为氧化剂，当氧化2温度在600℃以下时，一般用空气做氧化剂。对于活化过程所起的作用，目前只有大致的理解。在活化过程中，烧掉了碳化时吸附的碳氢化合物，把原有孔隙边上的碳原子烧掉，起了扩大孔隙的作用，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，碳化及活化后的微晶片结构示意见图6－2。

2、活性炭的性质

活性炭分成粉末状及粒状的两种类型以供不同的用途。每克活性炭的表面积2，但99.9％以上的面积都在多孔结构颗粒的内部。活性炭的极大可高达1000 m吸附能力即在于它具有这样巨大的吸附比表面积。

（1）粒状活性炭以吸附柱的形式来应用，一般在快滤池后建造活性炭滤池，去除水中有机物。当吸附能力饱和后，通过再生以恢复共吸附能力。

（2）粉末活性炭一般与混凝剂一起直接投加于水中，经混合吸附后分离出来，由于再生技术尚未完善的关系，往往作为污泥排掉。常用于季节性水质恶化时的间歇处理以及粉末活性炭投加量不高时。

活性炭对于某一种物质的吸附能力与活性炭的原材料性质、碳化及活化的整个过程、吸附的环境因素以及再生操作过程都有密切的关系。．

图6－2 活性炭的微晶片结构示意

二、吸附等温线

为了确定活性炭对水中某种成分的吸附能力，需进行吸附试验以获得吸附等温线。在烧杯中装入体积为V的原水，其中所含的拟被去除成分的浓度为C i（mg/L），在投加m（mg）的活性炭进行搅拌后，不断测定水中该种成分的残余浓度，当

残余浓度达到某一数值C后，即不再下降，即平衡浓度C。吸附试验ee还需改变

活性炭的投加量m（见图6－3），以求得在同样的原水初始浓度C及试i验条件下的相应平衡浓度C。由试验结果就可以画出吸附等温线来。e当达到平衡浓度C时，可知m（mg）活性炭所吸附的杂质量为V（C－C）eei mg，因而每毫克活性炭所吸附的杂质量为：

V(C?C)x ei（6－1）)mg/mg?(mm式中x代表被吸附的杂质毫克数，x/m代表活性炭吸附容量。

对同样的原水用不同种类的活性炭进行吸附试验，所得到的平衡浓度C是e不相同的，因而x/m值也不相同。但对同一种活性炭来说，试验证明x/m值是C和温度T的函数，即：e x（6－2）),C?f(T e m当试验的温度T不变时，x/m仅是C的函数，即：e x'(C)?f

（6－3）e m

活性炭的吸附过程图6－3

值所画出对平衡浓度C按上述试验过程在等温条件下得到的吸附容量x/m e或者同一种型号的对同样的原水用不同型号的活性炭，的曲线称为吸附等温线。活性炭用于不同样的原水，所得的吸附等温线都可能是不一样的。4－常见的吸附等温线有三种类型，每种类型相应于一种吸附公式，如图6 所示。

吸附等温线－图64

、公式处理，Ⅱ型等温线可用BranauerⅠ型的吸附等温线可用Langmuir公式处理。最公式处理，Ⅲ型等温线可用FreundlichBET)Emmett及Teller(简称Freundlich 经验公式，该表达式为：常用的吸附等温式是x1?KC

（6－4）n ef m

式中K和n为常数。f求吸附公式中的常数时，可将式（6－4）变为：

x1 （6－5）KC?lglg?lg fe mn在双对数坐标纸上根据试验数据绘图，见图6－5，在图中就可求出常数K f和n。

Freundlich公式的常数求图6－5

由吸附等温线可以比较不同活性炭对各种溶质的吸附效果，并由此计算所需去除的溶质从初始浓度C降低到要求的浓度C时，需投加的粉末活性炭数量为：

ei C?C ei?a（mg/L）（6－6）q e式中q 为吸附等温线上对应于C的吸附容量。ee

三、活性炭吸附柱试验

活性炭池设计时，水和炭的接触时间以及泄漏时间是两个重要的参数。①接触时间指活性炭床容积除以流量或炭床厚度除以流速所得的时间；②泄漏时间指流量一定时，从活性炭池开始进水到出水开始不符合水质要求时所经历的时间。

当设计流量确定后，由接触时间可计算活性炭床厚度和确定活性炭池的容积；由泄漏时间可计算活性炭床的利用率及再生系统的规模。一般接触时间短，则活性炭床容积小，但泄漏时间提前以致再生周期较短；接触时间长，则活性炭床容积较大，但可延缓泄漏时间，延长再生周期。

通常通过活性炭吸附柱试验来确定炭床容积和再生频率的选择。

活性炭吸附柱有下列三种类型：重力固定床、压力固定床以及流化床，如图6－6所示。无论哪一种类型，进水都是先经过吸附有机物最多的那部分活性炭。

图6－6 活性炭吸附柱的类型

活性炭吸附柱的高度与吸附柱吸附过程的相关关系定义了一个吸附带的高度，并说明可以根据吸附过程曲线来设计吸附柱。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间的关系绘成曲线，则得到图6－7的吸附过程曲线。图6－7中表示了出水有机物浓度从零开始逐渐增加的过程。当增加到允许的有机物出水最高浓度C（运行时间t）时，吸附柱即停止运行，柱内的活bb性炭需经再生恢复活性后，才能重新使用。允许的最高出水浓度C则称为吸附b柱的泄漏浓度，所生产的总水量为V，它相应的运行时间t称为吸附周期。如bb果将已