第二阶段水处理实验讲义

实验六 活性炭吸附实验

一、

概述

固体表面的分子或原子因受力不均衡而具有剩余的表面能，当某些物质碰撞固体表面时，受到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上，这就是吸附。这里的固体称为吸附剂。被固体吸附的物质称为吸附质。吸附的结果是吸附质在吸附剂上浓集，吸附剂的表面能降低。吸附可分为三种基本类型

⎪⎩

⎪⎨⎧化学吸附物理吸附交换吸附 二、 实验目的

1 加深理解吸附的基本原理；

2 通过实验进一步了解活性炭的吸附工艺及性能，熟悉实验过程的操作；

3 掌握用“间歇”法、“连续流”法确定活性炭处理污水的设计参数的方法及活性炭吸附公式中常数的确定方法。

三、 实验原理

活性炭对水中所含杂质的吸附既有物理吸附现象，也有化学吸附作用。有一些被吸附物质先在活性炭表面上积聚浓缩，继而进入固体晶格原子或分子之间被吸附，还有一些特殊物质则与活性炭分子结合而被吸着。

当活性炭对水中所含杂质吸附时，水中的溶解性杂质在活性炭表面积聚而被吸附，同时也有一些被吸附物质由于分子的运动而离开活性炭表面，重新进入水中即同时发生解吸现象。当吸附和解吸处于动态平衡时，即单位时间内活性炭吸附的数量等于解吸的数量时，此时被吸附物质在溶液中的浓度和在活性炭表面的浓度均不再变化，达到了平衡，称为吸附平衡。这时活性炭和水（即固相和液相）之间的溶质浓度，具有一定的分布比值。如果在一定压力和温度条件下，用m 克活性炭吸附溶液中的溶质，被吸附的溶质为x 毫克，则单位重量的活性炭吸附溶质的数量q e 即吸附容量（平衡吸附量）可按下式计算

m

x

m c c V q e e =-=

)(0

（6-1）

式中 V ——溶液体积 L ；

c 0、c e ———分别为溶质的初始浓度和平衡浓度 mg/L ； m ——吸附剂量 (活性炭投加量) g ； x ——被吸附物质重量，g ；

显然，平衡吸附量越大，单位吸附剂处理的水量越大，吸附周期越长，运转管理费用越少。q e 大小除了决定于活性炭的品种外，还与被吸附物质的性质、浓度、水的温度及pH 值有关。一般说来，当被吸附的物质能够与活性炭发生结合反应、被吸附物质又不容易溶解于水而受到水的排斥作用，且活性炭对被吸附物质的亲和作用力强，被吸附物质的浓度又较大时，q e 值就比较大。

在温度一定的条件下，活性炭的吸附量随被吸附物质平衡浓度的提高而提高，两者之间的变化曲线称为吸附等温线，即将平衡吸附量q e 与相应的平衡浓度c e 作图得吸附等温线，描述吸附等温线的数学表达式称为吸附等温式。常用的有Langmuir 等温式、B.E.T. 等温式和Freundlich 等温式。在水和污水处理中通常用Freundlich 表达式来比较不同温度和不同

溶液浓度时的活性炭的吸附容量：

n e e KC q 1

=

（6-2）

式中q e ——吸附容量， mg/g ；

K ——Freundlich 吸附系数，与吸附比表面积、温度有关的系数；

n ——与温度有关的常数，n ＞1；

C e ——吸附平衡时的溶液浓度（mg/L ）。

式（6-2）是一个经验公式，通常通过间歇式活性炭吸附实验测得q e 、C e 一一对应值，再用图解方法求出K 、n 的值。为了方便易解，将式（6-2）变换成线性对数关系式：

e e

e C n

K m C C q lg 1lg lg lg 0+=-= （6-3）

式中 C 0——水中被吸附物质原始浓度（mg/L ）； C e ——被吸附物质的平衡浓度（mg/L ）； m ——活性炭投加量（g/L ）；

将q e 、C e 相应值点绘在双对数坐标纸上，所得直线的斜率为n 1，截距为k 。 由于间歇式静态吸附法处理能力低，设备多，故在工程中多采用连续流活性炭吸附法。 连续流活性炭的吸附过程同间歇性吸附有所不同，这主要是因为前者被吸附的杂质来不及达到平衡浓度C e ，因此不能直接应用上述公式。这时应对吸附柱进行被吸附杂质泄漏和活性炭耗竭过程实验，也可简单地采用Bohart-Adams 关系式

t KC v H KN B C C 0)1exp(ln 10ln 0-⎥⎦⎤

⎢⎣⎡-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛- （6-4）

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛--=

10ln 1000

B C C K C H v C N t （6-5） 式中 t —工作时间（h ）

v —吸附柱中流速(m/h) H —活性炭层厚度(m) K —流速常数(L/mg ﹒h)

N 0—吸附容量，即达到饱和时被吸附物质的吸附量(mg/L) C 0—进水中被吸附物质浓度(mg/L) C B —容许出流溶质浓度(mg/L)

根据进水、出流溶质浓度可用式（8-6）估算活性炭柱吸附层的临界厚度，即当t=0时，能保持出流溶质浓度不超过C B 的炭层理论厚度。

)10l n (00-=

B

C C KN v

H （6-6）

式中H 0为临界厚度，其余符号同上面。

炭柱的吸附容量（N 0）和流速常数（K ）可通过连续流活性炭吸附实验并利用式（6-5）t~H 线性关系回归或作图法求出。

在实验时如果原水样溶质浓度为C 01，用三个活性炭柱串联，则第一个活性炭柱的出流浓度C B1即为第二个活性炭柱的入流浓度C 02，第二个活性炭柱的出流浓度C B2即为第三个活性炭柱的入流浓度C 03。由各炭柱不同的入流、出流浓度C 0、C B 便可求出流速常数K 值。

四、实验装置与设备

1．实验装置

间歇性吸附采用三角烧杯内装入活性炭和水样进行振荡的方法；

连续流式采用有机玻璃柱内装活性炭、水流自上而下（或升流式）连续进出方法。连续流吸附实验装置示意图如图6-1。

2．实验设备及仪器仪表

振荡器THZ—82型1台

pH计pHS型1台

1.有机玻璃

2.活性炭层

3.承托层

4.搁板隔网

5.单孔橡皮塞

五、实验步骤

（一）间歇式吸附实验步骤

1．取活性炭2000mg放在蒸馏水中浸24h，然后放在103℃烘箱内烘干24h，再将烘干的活性炭研碎成0.1mm以下的粉状。

2．配制水样1L，使其含适量的被吸附物。

3．取适量水样，测定原水的浓度。

4．在5个三角烧杯中分别放入100、200、300、400、500mg粉状活性炭，加入150ml 水样，放入振荡器振荡30分钟。

5．过滤各三角烧杯中水样，并测定浓度。

6．测出原水样pH及温度，记入表6-1-1。

（二）连续流吸附实验步骤

1．配制水样，使其含适量的被吸附物质，并测出原水的溶质浓度、pH及温度等；

2．在活性炭吸附柱中，各装入炭层厚850mm左右的活性炭；

3．启动水泵，打开流量计，将配制好的水样连续不断地送入活性炭吸附柱；

4．，使原水进入活性炭柱，并控制流量为50ml/min左右，

5．运行稳定后，每隔5min 测定并记录各活性炭柱出水的溶质浓度，连续运行直至出水中溶质浓度达到进水中溶质浓度的0.9~0.95为止,将结果记录在表6-2-1中；

6．变化流速重复进行实验。