活性炭吸附实验
1.实验目的
本实验用亚甲基蓝（C16H18ClN3S）代替工业废水中有机污染物，采用活性炭吸附法，探究活性炭投放量、吸附时间等因素对活性炭吸附性的影响，探究活性炭处理有机污染水体时的最优工艺参数。
2.实验原理
2.1活性炭特性
活性炭是水处理吸附法中广泛应用的吸附剂之一，有粒状和粉状两种。其中粉末活性炭应用于水处理在国内外已有较长的历史。活性炭是一种暗黑色含炭物质，具有发达的微孔构造和巨大的比表面积。它化学性质稳定，可耐强酸强碱，具有良好吸附性能，是多孔的疏水性吸附剂。活性炭最初用于制糖业，后来广泛用于去除受污染水中的有机物和某些无机物。它几乎可以用含有碳的任何物质做原材料来制造，活性炭在制造过程中，其挥发性有机物被去除，晶格间生成空隙，形成许多形状各异的细孔。其孔隙占活性炭总体积的 70%～ 80%，每克活性炭的表面积可高达 500 ～ 1700 平方米，但 99.9％都在多孔结构的内部。活性炭的极大吸附能力即在于它具有这样大的吸附面积[1,2]。
2.2活性炭吸附特征
活性炭的孔隙大小分布很宽，从 10-1nm 到104nm 以上，一般按孔径大小分为微孔、过渡孔和大孔。在吸附过程中，真正决定活性炭吸附能力的是微孔结构。活性炭的全部比表面几乎都是微孔构成的，粗孔和过渡孔只起着吸附通道作用，但它们的存在和分布在相当程度上影响了吸附和脱附速率。研究表明，活性炭吸附同时存在着物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。在活性炭吸附法水处理过程中,利用3种吸附的综合作用达到去除污染物的目的。对于不同的吸附物质,3种吸附所起的作用不同。
（1）物理吸附
分子力产生的吸附称为物理吸附,它的特点是被吸附的分子不是附着在吸附剂表面固定点上,而稍能在界面上作自由移动。物理吸附可以形成单分子层吸附,又可形成多分子层吸附。由于分子力的普遍存在, 一种吸附剂可以吸附多种物质,但
由于吸附物质不同,吸附量也有所差别。这种吸附现象与吸附剂的表面积、细孔分布有着密切关系,也和吸附剂表面力有关。
（2）化学吸附
活性炭在制造过程中炭表面能生成一些官能团,如梭基、轻基、淡基等,所以活性炭也能进行化学吸附。吸附剂和吸附质之间靠化学键的作用,发生化学反应,使吸附剂与吸附质之间
牢固地联系在一起。一种吸附剂只能对某种或特定几种物质有吸附作用,因此化学吸附只能是单分子层吸附,吸附是较稳定的,不易解吸。活性炭在制造过程中,由于制造工艺不一样,活性炭表面若有碱性氧化物则以吸附溶液中的酸性物质,若活性炭表面有酸性氧化物则以吸附溶液中的碱性物质。
（3）离子交换吸附
一种物质的离子由于静电引力聚集在吸附剂表面的带电点上,在吸附过程中,伴随着等量离子的交换口。离子的电荷是交换吸附的决定因素。被吸附的物质往往发生了化学变化,改变了原来被吸附物质的化学性质。这种吸附也是不可逆的,因此仍属于化学吸附,活性炭经再生也很难恢复到原来的性质[3]。
2.3活性炭在水处理中的运用
用活性炭吸附法处理污水或废水就是利用其多孔性固体表面，吸附去除污水或废水中的有机物或有毒物质，使之得到净化。研究表明，活性炭对分子量500-1000范围内的有机物具有较强的吸附能力。活性炭对有机物的吸附受其孔径分布和有机物特性的影响，主要是受有机物的极性和分子大小的影响。同样大小的有机物，溶解度越大、亲水性越强，活性炭对它的吸附性越差，反之，对溶解度小，亲水性差、极性弱的有机物如苯类化合物、酚类化合物等具有较强的吸附能力[4] 活性炭水处理的主要影响因素有: 活性炭的性质、吸附质性质、吸附质的浓度、溶液pH、溶液温度、多组分吸附质共存和吸附操作条件等[5].
3.仪器与药品
仪器
可见分光光度计 恒温摇床
药品
亚甲基蓝、粉末活性炭(PAC)、不定型颗粒活性炭(GAC)
4.实验操作
4.1亚甲基蓝标线绘制
1、 配制100mg/L的亚甲基蓝溶液：量取10ml 1000亚甲基蓝母液于100ml容量瓶，用蒸馏水稀释至标线。
2、 用移液管分别移取亚甲基蓝标准溶液0.5、1、1.5、2、2.5ml于50ml比色管中，用蒸馏水稀释至刻度线处，摇匀，以水为参比，在波长664nm处，用1cm比色皿测定吸光度，绘出标准曲线。
4.2吸附实验
4.2.1粉末炭与颗粒炭吸附效果比较
分别称取0.01、0.02、0.04、0.08、0.l2gPAC或0.5 、1、2、4、8gGAC，加入到100mL浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液中，放入恒温振荡器中振荡，设置转速为200r/min，温度30℃，反应30 min，取上清液测定剩余溶液的吸光度，考察活性炭投加量对亚甲基蓝去除率的影响。
4.2.2活性炭吸附过程类型确定
分别称取0.01、0.02、0.03、0.04、0.05gPAC或0.5 、1、2、4、6gGAC，加入到100mL浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液中，放入恒温振荡器中振荡，设置转速为200r/min，温度30℃，反应30 min，取上清液测定剩余溶液的吸光度。根据吸附前后亚甲基蓝浓度差、溶液体积和吸附剂用量计算活性炭对亚甲基蓝的吸附容量(qe)。对试验数据分别做Langmuir吸附方程和Freundlich吸附方程拟合。
4.2.3穿透曲线
从吸附柱（20cm、30 cm）上口流进40mg/L 的亚甲基蓝溶液，从吸附柱出口接样调节其流量为8ml/min，一定时间间隔后接样，分析其浓度。直到出口浓度为初始浓度的90%为止，实验结束。
5.结果与讨论
5.1标准曲线
不同浓度亚甲基蓝标液对应吸光度如表1所示。根据表中数据，绘制Abs-浓度曲线，如图1。
表1，不同浓度亚甲基蓝对应吸光度数据表
图
1，亚甲基蓝吸收标准曲线
标准曲线相关系数R=0.999，说明在664nm处，亚甲基蓝浓度在0-5mg/l与吸光度有较好的线性关系。吸收曲线方程为y=0.2045x-0.0193。
5.2不同活性炭去除效果比较
图2，a为粉末活性炭添加量对20mg/l亚甲基蓝去除效果，b为颗粒活性炭添加量对20mg/l
亚甲基蓝去除效果
由图1可以看出，无论是颗粒炭还是粉末炭，在一定范围内，随投加量增加，对
亚甲基蓝去除率都是先快速上升，后上升趋势减缓；对于20mg/l亚甲基蓝废水处理，粉末活性炭最佳投加量为0.08g，颗粒活性炭最佳投加量为8g，去除效果能达到95%以上；显然，粉末活性炭去除效率远高于颗粒活性炭，这是因为粉末炭比表面积远大于颗粒炭，而吸附现象发生在吸附剂表面上,所以吸附剂的比表面积是影响吸附的重要因素之一,比表面积越大,吸附性能越好。
5.3吸附过程类型确定
5.3.1粉末活性炭
单分子吸附的Langmuir方程为：
q=kpqm/(1+kp)(1)
方程两边取倒数得，1/q=1/（kqm）*1/p+1/qm(2)
式2两边同时乘以p得，p/q=p/qm+1/kqm (3)
由式3知，p/q和p呈直线关系，将实验数据整理为：
根据表2数据作p/q-p图，其相关系数为0.997，如图3。
图3，粉末炭p/q-p曲线
Freundlich吸附方程为：q=kp1/n (4)
式4两边取对数得：Inq=1/nInp+Ink (5)
由式5知, Inq和Inp呈直线关系，将实验数据整理为：
表3
作Inq-Inp图，其相关系数为0.995，如图4
图4，粉末炭Inq-Inp
由以上计算可知，采用Langmuir方程拟合的线性相关性与Freundlich吸附方程相近，所以可以确定粉末炭对亚甲基蓝吸附过程即符合Langmuir型又符合Freundlich型。由p/q-p直线可计算出粉末炭饱和吸附量qm=0.0353mg/mg(C)；由直线斜率1/（kqm）=15.702，求得k=1.80.
5.3.2颗粒活性炭
运用与5.3.1相同的原理和方法，分别作颗粒炭的p/q-p直线（图5）和Inq-Inp直线（图6）。
图5，颗粒炭的p/q-p直线
图6，颗粒炭Inq-Inp
结合图5、6，颗粒炭Langmuir方程拟合的线性相关性远好于Freundlich吸附方程，可以确定颗粒炭对亚甲基蓝吸附过程即符合Langmuir型，饱和吸附量qm=2.7×10-4，k=2.52。
5.4吸附柱实验
初始 浓 度 为 40mg/l，进 料 流 速 为8ml/min, 在不同填料高度下测定活性炭柱对亚甲基蓝的吸附性能，穿透曲线如图7.吸附柱高度分别为21cm和29cm，出水浓度达到进水浓度90%所需时间分别为215min和275min，随着吸附柱高度增加，提高了活性炭对亚甲基蓝的吸附量，吸附终点推迟。不同吸附柱的穿透曲线相似，这是因为吸附平衡和传质扩散速率不随吸附柱高度的变化而变化[6]。
至于个别数据较异常，是因为实验所用活性炭颗粒较大，吸附柱难以填充密实，
会存在相对较大的空隙，部分溶液直接通过这些空隙而减少与活性炭接触的时间，所以出水浓度会出现波动。
图7不同床高时的穿透曲线
6.思考题
1.用间歇法处理5吨50mg/l废水，去除率90%，求需活性炭质量。
粉末炭饱和吸附量qm=0.0353mg/mg(C)，固有：
活性炭质量M=5×50×0.9÷0.0353=6.37kg
引用
[1]沈渊玮,陆善忠.活性炭在水处理中的应用[J].工业水处理,2007,04:13-16.
[2]王丁明,曹国凭,贾云飞,刘鹏程.活性炭吸附技术在水处理中的应用[J].北方环境,2011,11:190-191.
[3]杨华. 粉末活性炭在东江微污染水源水处理中的应用[D].西安建筑科技大学,2006.
[4]郭瑞霞,李宝华.活性炭在水处理应用中的研究进展[J].炭素技术,2006,01:20-24.
[5]王宝庆,陈亚雄,宁平.活性炭水处理技术应用[J].云南环境科学,2000,03:46-49.
[6]龙腾,易筱筠,党志. 改性花生壳对水中镉的动态吸附研究[J]. 环境科学,2012,09:3177-3181.