活性碳吸附综合实验报告

1实验目的

(1)通过实验进一步了解活性炭的吸附工艺及性能；

(2)熟悉整个实验过程的操作；

(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；

(4)学会使用一级动力学、二级动力学方程拟合分析，对 PAC 的吸附进行动力学

分析研究；

(5)了解活性炭改性的方法以及其影响因素。

2实验原理

2.1活性炭间隙性吸附实验原理

活性炭吸附就是利用活性炭的固体表面对水中一种或多种物质的吸附作用，己达到净化水质的目的。活性炭的吸附作用产生于两个方面，一是由于活性炭内部分子在各个方向都受到同等大小的力而在表面的分子则受到不平衡的力，这就使其他分子吸附于其表面上，此为物理吸附；另一个是由于活性炭与被吸附物质之间的化学作用，此为化学吸附。活性炭的吸附是上述两种吸附综合的结果。当活性炭在溶液中的吸附速度和解吸速度相等时，即单位时间内的活性炭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在变化，而达到平衡，此时的动平衡称为活性炭吸附平衡而此时被吸附物质在溶液中的浓度称为平衡浓度。活性炭的吸附能力以吸附量q表示。

式中：q ——活性炭吸附量，即单位重量的吸附剂所吸附的物质量，g/g；

V ——污水体积，L；

、C ——分别为吸附前原水及吸附平衡时污水中的物质浓度，g/L；

C

X ——被吸附物质重量，g；

M ——活性炭投加量，g。

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，两者之间的变化称为吸附等温线，通常费用兰德里希经验公式加以表达。

式中：q ——活性炭吸附量，g/g ；

C ——被吸附物质平衡浓度g/L；

K、n ——溶液的浓度，pH值以及吸附剂和被吸附物质的性质有关的常数。

K、n值求法如下：通过间歇式活性炭吸附实验测得q、C相应之值，将式取对数后变换为下式：

将q、C相应值点绘在双对数坐标纸上，所得直线的斜率为1/n，截距则为K。

此外，还有朗缪尔吸附等温式，它通常用来描述物质在均一表面上的单层吸附，表达式为：

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，即活性炭动态吸附法。

采用连续流方式的活性炭层吸附性能可用勃哈特和亚当斯所提出的关系式来表达。

式中：t ——工作时间，h；

V ——流速，m/h ；

D ——活性炭层厚度，m；

K ——速度常数，L/mg·h ；

——吸附容量、即达到饱和时被吸附物质的吸附量，mg/L；

N

——进水中被吸附物质浓度，mg/L；

C

C

——允许出水溶质浓度，mg/L。

B

当工作时间 t = 0，能使出水溶质小于 CB 的碳层理论深度称为活性炭的临界深度，其值由上式 t = 0推出。

）和速度常数（K），可通过连续流活性炭吸附试验并利碳柱的吸附容量（N

用公式 t ~D 线性关系回归或作图法求出。

2.2活性炭吸附动力学实验原理

动力学研究各种因素对化学反应速率影响的规律，研究化学反应过程经历的具体步骤，即所谓反应机理。它探索将热力学计算得到的可能性变为现实性，将实验测定的化学反应系统宏观量间的关系通过经验公式关联起来。

固体吸附剂对溶液中溶质的吸附动力学过程可用准一级、准二级、韦伯-莫里斯(Weber and Morris)内扩散模型和班厄姆(B angham)孔隙扩散模型来进行描述。

（1）基于固体吸附量的拉格尔格伦(Lagergren)准一级速率方程是最为常见的，应用于液相的吸附动力学方程，模型公式如下：

或

——平衡吸附量，mg/g；

式中：q

e

q

t

——时间为t时的吸附量，mg/g；K ——一次方程吸附速率常数，min-1。

以log(q

e -q

t

)对t作图，如果能得到一条直线，说明其吸附机理符合准一级

动力学模型。

（2）准二级速率方程是基于假定吸附速率受化学吸附机理的控制，这种化学吸附涉及到吸附剂与吸附质之间的电子共用或电子转移，其公式为：

式中K

s

为二级吸附速率常数

以t/q

t

对t作图，如果能得到一条直线，说明其吸附机理符合准二级动力学模型。

（3）韦伯-莫里斯模型常用来分析反应中的控制步骤，求出吸附剂的颗粒内扩散速率常数。其公式为：

式中，C是涉及到厚度、边界层的常数。K

ip 是内扩散率常数。q

t

对t1/2

作图是直线且经过原点，说明内扩散由单一速率控制。

（4）班厄姆方程常被用来描述在吸附过程中的孔道扩散机理，方程尽管是以经验式提出，但可认为是与Freundlich等温吸附方程对应的动力学方程，这可从理论上导出。其公式为：

当线性拟合得到较好直线，拟合系数R2大于0.99时表示此孔道扩散模型能较好的表示实际吸附情况。

（5）此外，叶洛维奇(Elovich)方程也是可用来描述反应速率与时间关系的动力学方程，其表达式为：

2.3活性炭改性实验原理

普通活性炭比表面积小、孔径分布不均匀和吸附选择性能差，故普通活性炭需要进一步的改性，满足实验和工程需要。现在常采用工艺控制和后处理技术对活性炭的孔隙结构进行调整，对表面化学性质进行改性，进而提高其吸附性能。改性方法有表面结构的改性以及表面化学性质的改性两大类。活性炭表面化学性质的改性又可分为表面氧化法、表面还原法负载原子和化合物法以及酸碱改性法三种。

本次实验用硝酸对活性炭进行改性，属于表面氧化法。硝酸在适当的温度下对活性炭材料表面的官能团进行氧化，从而提高材料含氧官能团的含量，增强材

料表面的亲水性。常用的氧化剂除了硝酸外，还有HClO和H

2O

2

等。

3实验内容

3.1实验设备与试剂