活性炭吸附技术在水处理中的应用及过程分析

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1 活性炭吸附技术在水处理中的应用及过程分析
姓名：杨树军 学号：

2 目录 一、活性炭的性能及特点 二、活性炭的分类 三、活性炭的吸附和解析过程分析 四、活性炭在水处理中的应用 五、结束语

3 一、活性炭的性能及特点 活性炭是由含碳物质支撑的外观黑色、内部孔隙发达、比表面积大、吸附能力强的微晶质碳。活性炭成分中除了碳元素以外还有氧、氮、氢等元素及灰份。活性炭除了有化学稳定性和很高的机械强度，还耐酸、耐碱、耐热，不溶于水和有机溶剂。由于活性炭具有诸多优良性能，使其在工业三废治理、溶剂回收、食品饮料提纯、电池、电能储存等方面有着广泛而重要的应用。

4 二、活性炭的分类 按原料来源可分为木质活性炭、煤质活性炭、果壳炭、矿物质原料炭和骨炭等；按制造方法可分为物理法炭、化学法炭和化学－物理法或物理－化学法 炭；按其形态可分为粉状活性炭、柱状活性炭、球形活性炭及不定型活性炭等。　　　　　 在水处理中常用的活性炭有颗粒状、粉末状两种。粉末状的活性炭吸附能力强，制备简单，价格较低，但再生困难，一般不能重复使用。颗粒状的活性炭价格较贵，但可再生后重复使用，并且操作方便。随着纤维工业的发展，诞生了一种新型的活性吸附材料－活性炭纤维，它是继颗粒状、粉末状活性炭之后的第三代产品。

5 三、活性炭的吸附和解析过程分析 1.吸附时间的影响
吸附时间是反映吸附剂性能的重要指标，吸附时间是反映吸附剂性能的重要指标，图为水浴温度为２９８Ｋ、正丁烷流量为２５０ｍＬ／ｍｉｎ、氮气流量为３００ｍＬ／ｍｉｎ时，ＡＣ－１和ＡＣ－２(两种活性炭样品)对正丁烷的吸附性能随时间变化的关系。

6 备注：ＡＣ－１为实验室内制备的木质颗粒活性炭，将粉碎后的杉木屑与浓度为５０％的磷酸溶液按１．８∶１的液固比混合均匀，在１２０℃下进行塑化，当物料具有一定粘性时，取出捏合成型，将温度升为２３０℃固化４ｈ，然后分别在５５０℃下活化９０ｍｉｎ，然后取出骤冷至室温，用热水洗涤至中性，在１５０℃下烘干即可。ＡＣ－２为商用木质颗粒活性炭，购于河南滑县大潮林物产有限责任公司，其物性参数如表所示

7 　2.正丁烷流量对吸附性能的影响 在水浴温度为２９８Ｋ，氮气流量为３００ｍＬ／ｍｉｎ，正丁烷流量分别为５０、１００、２５０、４００ｍＬ／ｍｉｎ时，活性炭吸附性能随时间变化的关系如图所示。

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9 3.温度对活性炭吸附的影响 （1）正丁烷 在水浴温度为２９３、２９８、３１３、３２３Ｋ，氮气流量为３００ｍＬ／ｍｉｎ，正丁烷流量为２５０ｍＬ／ｍｉｎ时，活性炭吸附性能随时间变化的关系如图所示。从图４、５中可以看出，活性炭对正丁烷的饱和吸附量随着温度的升高而降低，表明正丁烷在活性炭上的吸附为放热反应。在吸附初期，温度对吸附量的影响并不是很明显。水浴温度的升高加快了正丁烷分子的移动速率，同时也抑制了活性炭的吸附速率，最终导致活性炭吸附量的减小。

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11 （2）H20吸附曲线 H20 的吸附曲线不同温度下水蒸气在活性炭上的等温线呈典型的第 V 类曲线, 如图 所示. 这种 S 型的等温曲线的特点是高压下对水蒸气有很高的吸附量, 而低压下却对水的吸附量很低. 这种曲线的优点就是应用在真空变压吸附中, 可以很容易地实现对水的分离,也就是说即使吸附在活性炭的孔径内, 水蒸气也会很容易从真空泵解吸出来。 另外, 该曲线也说明了普通的工业活性炭并不是完全的疏水性材料, 在一定条件下它仍然具有很高的吸水性. 水在活性炭表面的吸附主要通过形成独特的三维水分子簇和网状结构,而这些结构的形成依靠着水分子与活性炭上可取代的活化位置协同作用来完成. 图中还显示, 实验测得的等温曲线可以很好地通过 QHR 模型来模拟. 在较高温度下(60℃), 活性炭对水蒸气的吸附量仍然较高.

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13 4、吸附平衡及吸附等温式 （1）吸附平衡 吸附速度＝解析速度→动态平衡 吸附能力qe—单位吸附剂所吸附的物质的数量为平衡吸附量。 计算

14 常用吸附等温线有三种类型： qe ce Ⅱ qe ce cs Ⅲ qe ce Ⅰ
Ⅰ型Ce没有极限值，但qe却有一个极限值,Langmuir型； Ⅱ型Ce有一个极限值Cs，称为饱和浓度，但qe却没有极限值，BET型； Ⅲ型Ce与对等的qe都没有极限值，Freundlich型；

15 （2）吸附等温式—计算及应用 ①Langmuir等温式 假设条件： 吸附剂表面均一，各处的吸附能相同；
吸附是单分子层，吸附剂表面饱和时，吸附量最大； 表面上没有吸附质转移运动； 平衡时吸附速度＝脱附速度 平衡吸附量qe与液相平衡浓度ce的关系为：

16 (a)Langmuir模型 据吸附实验数据，按式作图可求出a、b值。 当吸附量很小时，即当b·ce<<1时，qe=abce,即qe与ce成正比，等温线是一条直线； 当吸附量很大时，即当b·ce>>1时，qe≈a,即平衡吸附量接近于定值，等温线趋于水平。

17 ②BET等温式 多分子吸附 CS—吸附质的饱和浓度；B-常数，与吸附剂和吸附质之间的相互作用能有关。 线性形式 实验数据作图，求常数a和B。

18 需要知道饱和浓度CS的值,数据足够可以以此作图即得直线;
平衡浓度很低时，可简化为Langmuir模式。

19 Freundilich在一般范围内与Langmuir式接近，但在高浓度时不像后者那样趋于定值；在低浓度时，也不会还原为直线。
③Freundlich等温式 经验公式：qe=Kce1/n 取对数： 实验数据作图，出斜率1/n，截距等于lgK； 1/n介于0.1～0.5,易于吸附； 1/n>2难以吸附。 (c)Freundilich模型 Freundilich在一般范围内与Langmuir式接近，但在高浓度时不像后者那样趋于定值；在低浓度时，也不会还原为直线。

20 （1）水膜内的物质迁移速度 5、吸附动力学 由Fick定律，水膜内的传质速度NA由下式结出：
式中 D——溶质在水膜中的扩散系数，m2/L； δ——水膜厚度，m； kf——水膜传质系数，m/L； c——水中溶质的浓度，kg/m3； ci——颗粒表面的溶质浓度，kg/m3。 固定床填充层单位容积的吸附速度为 ： 式中 ρb——填充层的表现密度，kg/m3； av——填充层单位容积的颗粒外表面积，m2/m3。

21 膜扩散 孔扩散 吸附 活性炭吸附过程示意

22 关于传质系数kf，曾提出了各种实验公式，如Carberry公式为
式中 u—一空塔水流速度,m/h； ε——填充层的孔隙率； μ——水溶液的动力粘滞系数,kgF/(m·h)； ρ——水溶液密度，kg/m3； dp——吸附剂粒径，m。

23 （2）内孔扩散速度 多孔性物质内部的扩散现象极为复杂，受到细孔扩散和细孔壁表面扩散两方面的影响，但类似于分子扩散，均以扩散物质的浓度梯度作为推动力。其中通过细孔内液相向颗粒内部扩散的速度为 式中 NP——细孔内的扩散速度，kg/(m2.h)； DP—一细孔内有效扩散系数，m2/h； c----细孔内溶液浓度，kg/m3； r——扩散方向的距离，m。

24 细孔壁上的表面扩散以吸附量梯度为推动力，沿表面从吸附量大处向小处作二维移动。表面扩散系数与吸附质分子的大小、温度、吸附质与吸附剂之间的结合能有关。其速度为：
式中 Ns—一表面扩散系数，kg/(m2·h)； ρa—一吸附剂的表观密度,kg/m3； Ds—一表面扩散系数，m2/h。 颗粒内总扩散速度为武（7-15）与（7-16）之和,即

25 假定在细孔内某一位置处表面吸附量与溶液浓度之间呈平衡状态，则有
将上式代入上上式得 式中Di是以溶液浓度为基准的颗粒内有效扩散系数，m2/h.在溶质浓度很高，吸附前后浓度变化不大的条件下,Boyd导出以下近似式估计颗粒内有效扩散系数和吸附速度:

26 四、活性炭在水处理中的应用 １.活性炭在饮用水处理中的应用 饮用水在进入城市污水管网之前一般需要进行消毒副产物，而消毒后的副产物(DBPs ) 对人体有较强的毒害作用，采用有效工艺降低饮用水中的DBPs浓度称为研究的热点之一。T. Ramn等运用基于紫外－过氧化氢的预氧化法，结合生物活性炭技术处理饮用水中的DBPs、TOC和UV254，与未经处理的原水相比，这3种污染物的浓度分别减少了43 %、52 %和59 %，去除效果显著。

27 ２.活性炭在污水处理中的应用 在处理生活污水方面，宋吉娜等采用粉末活性炭－超滤的组合工艺对城市二级生化处理出水进行深度处理。结果表明，投加粉末活性炭对CODCr、BOD5和色度的去除率分别为55.3 %，35 %和69.7 %。同时投加粉末活性炭能有效地提高膜通量，通过反冲洗，膜通量能得到很好的恢复。H. Fr. Schroder采用O3-BAC法处理城市生活污水，实验结果表明，技术对烷基苯化合物及其降解产物等极性化合物的去除效率较好。

28 在处理工业污水方面，G.M. Walker等研究了生物活性炭搅拌池反应器对印染废水的处理效果，并对生物砂床+活性炭、BAC、生物砂床、活性炭吸附及生物降解等工艺进行了平行对比实验。结果表明，5种处理方法均能起到脱色作用，但当过了初始阶段，生物活性炭对染料的去除率明显高于其它方法。蒋卫辉采用活性炭吸附法对株冶冶炼废水进行COD去除研究，考察了pH值、反应时间、活性炭用量、反应温度对去除率的影响。结果表明，当pH值为8.5,搅拌时间为0.5 h,活性炭用量为0.25 g/L,温度为25℃时，COD去除率达到64.87 %，出水COD约为20 mg/L。

29 五、结束语 活性炭用于水处理是非常有效的，但其在水的深度处理方面，还不能完全解决水质污染问题，可与其它水处理工艺进行联用，与膜、微生物、氧化剂、电化学等技术结合，能提高活性炭的效率。例如，将活性炭的吸附作用与微生物的分解氧化作用协同起来，不仅可以提高污水的处理效果，还能延长活性炭的使用寿命。综上所述，活性炭在水处理方面具有良好的应用前景。

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