活性炭吸附实验

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1、活性炭吸附实验活性炭吸附实验等温吸附曲线拟合等温吸附曲线拟合 一、数据记录一、数据记录 1、基础数据：、基础数据： 水样体积：5.00 mL 重铬酸钾消解液体积：5.00 mL 室温：25 硫酸亚铁铵滴定液浓度：0.0136 mol/L 吸附时间：30 min 搅拌强度：150 r/min 2、间歇式活性炭吸附实验数据、间歇式活性炭吸附实验数据 表 6-1 活性炭吸附数据记录表 活性炭 COD 滴定数据记录 出水 COD 浓度 COD 去除量 q 初始读数 终点读数 消耗量 mg mL mL mL mg/L mg mg/g 纯水 0.00 3.85 3.85 0.00 0.00 0.00 原水

2、 0.00 0.20 0.20 79.42 0.00 0.00 100 0.00 1.00 1.00 62.02 6.96 69.63 200 0.00 1.55 1.55 50.05 11.75 58.75 300 0.00 1.95 1.95 41.34 15.23 50.77 400 0.00 2.20 2.20 35.90 17.41 43.52 500 0.00 2.50 2.50 29.38 20.02 40.04 其中，活性炭吸附量 q 的计算公式如下： q =V(C0Ci) M式中，q活性炭吸附量，mg/g； V污水体积，mL； C0吸附前原水的 COD 浓度，mg/L； Ci

3、吸附平衡后污水中 COD 浓度，mg/L； M活性炭的用量，g； 现以活性炭投加量 100 mg 为例，其活性炭吸附量 q 计算过程如下： q =V(C0Ci) M=400 1000 (79.4262.02) 100 1000= 69.63 mg/g 二、数据处理与分析二、数据处理与分析 1、COD 去除率去除率与误差分析与误差分析 表 6-2 是根据表 6-1 原始数据整理得到的活性炭用量与出水 COD 浓度、COD去除率的相关数据，图 6-1 是根据表 6-2 所得数据绘制的双 Y 轴曲线图。 表 6-2 活性炭用量、出水 COD 浓度及 COD 去除率数据表 活性炭 出水 COD 去除率

4、 mg mg/L % 原水 79.42 0.00 100 62.02 8.77 200 50.05 14.80 300 41.34 19.18 400 35.90 21.92 500 29.38 25.21 01002003004005002030405060708090Equlibirium Concentration of CODRemoval Rate of CODPAC Dosage (mg)Equlibirium Concentration of COD (mg/L)0510152025Removal Rate of COD (%)图 6-1 活性炭用量与 COD 平衡浓度、COD

5、去除率关系曲线图 结合表 6-2 和图 6-1 可知，随着粉末活性炭 PAC 投加量的增大，水样中 COD的出水浓度可由初始的 79.42 mg/L 最多下降至 29.38 mg/L，而对应的 COD 去除率也可由 100 mg PAC 时的 8.77%提升至 500 mg PAC 时的 25.21%。 其中，实验误差实验误差来源主要有以下几个： 微波消解时吸附可能仍未达到平衡 本实验活性炭的吸附时间为 30 min，根据相关文献资料（刘成波. 活性炭吸附法去除废纸造纸废水中的 COD. 纸与造纸. 2003 年 7 月.） ，活性炭对污水中有机物的吸附平衡时间一般在 1 h 以上，否则仍是为

6、达到平衡状态的。因此，可推断出实验时活性炭的吸附时间过短，可能导致 COD 吸附量偏小，进而使计算得到的 COD 出水浓度偏高以及去除率偏低。 PAC 发生漏滤 实验发现， 即使在过滤时滤纸未发生破裂的情况下滤液的 NTU 仍会随着 PAC投加量的增大而略微增大，也即 PAC 发生漏滤，这可能是滤纸孔径较大、PAC 粒径较小的缘故。而 PAC 的漏滤无疑会增大水样的 COD 浓度，因此会使得最终的COD 出水浓度偏高。 滤纸对 COD 的截留 实验发现，滤纸对污水中的 COD 有明显的截留作用，即过滤次数越多则滤液中的 COD 浓度越低。因此，这将导致COD 的去除率比真正因活性炭吸附而去除的

7、去除率高。 水温变化与 pH 的影响 根据相关文献资料（李子龙. 活性炭吸附水中金属离子和有机物吸附模式和机理的研究. 环境科学与管理. 2009 年 10 月） ，活性炭对污水中有机物的去除深受水温与 pH 的影响，表现为水温越高吸附效果越差，微酸性环境有利于活性炭吸附等。 由于活性炭吸附反应属于放热反应， 且活性炭的投加量越多放热效应越明显，因此其吸附效果会比预期效果差。因此，在活性炭投加量较多时，COD 的出水浓度会比理论值偏高。 2、Freundlich 方程拟合方程拟合 Freundlich 方程常用于活性炭吸附等温线的拟合，其形式如下： q = K C1 n 式中，q活性炭吸附量，

8、mg/g； C被吸附物质的平衡浓度，g/L； K，n与溶液的温度、pH 值及吸附剂和吸附质性质有关的常数。 对 Freundlich 取对数后变换为下式： lgq = lgK +1 nlgC 当q、C相应点会在双对数坐标轴纸时，所得的直线斜率为1n，截距为 K，即可求解出 Freundlich 方程。 表 6-3 是根据表 6-1 相关数据整理得到的 lgC 与 lgq 数值， 图 6-2 是依据这些数值绘制得到的曲线图。 表 6-3 Freundlich 拟合所用的 lgC 与 lgq 数据 活性炭/mg lgC lgq 100 1.79 1.84 200 1.70 1.77 300 1.6

9、2 1.71 400 1.56 1.64 500 1.47 1.60 1.451.501.551.601.651.701.751.801.601.651.701.751.801.85lgqLinear Fit of lgqlgqlgCEquationy = a + b*xAdj. R-Square0.98215ValueStandard ErrorlgqIntercept0.462780.08419lgqSlope0.767970.05165图 6-2 lgq 与 lgC 拟合曲线 由图 6-2 可知，lgq 与 lgC 曲线的直线拟合相关系数为 R2= 0.982 说明线性拟合效果较好。拟合

10、直线的斜率为 0.76797，截距为 0.46278，也即 1 n= 0.76797 lgK = 0.46278 可分别解得n = 1.30213，K = 2.90255 因此，本实验活性炭等温吸附曲线的 Freundlich 方程为： q = 2.90255 C0.76797 3、Langmuir 方程拟合方程拟合 Langmuir 方程基于单分子层吸附， 也可用于描述活性炭的等温吸附曲线， 其方程式如下： q =k1Cqm 1 +k1C 可变换为： 1 q=1 k1qm1 C+1 qm 由该式可见，1/q 与 1/C 呈直线关系，根据表 6-1 原始数据整理得到表 6-4的相关数据；图 6

11、-3 是基于表 6-4 相关数据而绘制得到的拟合曲线图。 表 6-4 Langmuir 拟合所用 1/q 与 1/C 数据 活性炭 1/C 1/q mg L/mg g/mg 100 0.016 0.014 200 0.020 0.017 300 0.024 0.020 400 0.028 0.023 500 0.034 0.025 0.0160.0200.0240.0280.0320.0360.0140.0160.0180.0200.0220.0240.0261/qLinear Fit of 1/q1/q (g/mg)1/C (L/mg)Equationy = a + b*xAdj. R-Sq

12、uare0.96757ValueStandard Error1/qIntercept0.004840.001411/qSlope0.612610.05584图 6-3 1/q 与 1/C 拟合曲线 由图 6-3 可知，1/q 与 1/C 曲线的直线拟合相关系数为 R2= 0.968 说明线性拟合效果较好。拟合直线的斜率为 0.61261，截距为 0.00484，也即 1 k1qm= 0.61261 1 qm= 0.00484 可分别解得qm= 206.61，k1= 0.00790 因此，本实验活性炭等温吸附曲线的 Langmuir 方程为： q =1.63236C 1+ 0.00790C 4、

13、等温吸附曲线模型的比较、等温吸附曲线模型的比较及结果分析及结果分析 通过上文 Freundlich、Langmuir 两者对活性炭等温吸附曲线的拟合可知，其拟合的相关系数对比如下： 表 6-5 Freundlich、Langmuir 的拟合效果比较 等温吸附曲线类型 R2 Freundlich 0.98215 Langmuir 0.96757 25303540455055606540455055606570qq (mg/g)C (mg/L)Freundlich R2=0.982Langmuir R2=0.968图 6-4 Freundlich、Langmuir 对 q、c 的拟合结果 由此可见

14、， 活性炭对 COD 的等温吸附曲线用 Freundlich 方程的拟合效果要略好于 Langmuir 方程。 这可能有以下几点原因原因： Langmuir 吸附模型理论假设之一便是被吸附的分子之间不存在相互作用，且吸附只限于单分子层吸附，因此对环境条件变化比较敏感。特别是在液相中，吸附质（如 COD）之间的距离远比气体分子小得多，且可能存在各种静电力作用而相互聚集，吸附质之间的作用力是不可忽略不计的，因此 Langmuir 吸附模型对活性炭吸附 COD 的拟合效果较差。 Langmuir 吸附模型是由理论推导而来，对于单一吸附质的拟合效果较好，但本实验所用水样并非是纯溶剂与某种特定吸附质配制

15、而成， 而是包含多种复杂环境化合物的河道水， 这些化合物会在吸附过程中抑制或促进目标吸附质在吸附剂上的吸附，因此会影响 Langmuir 模型的拟合效果。 Freundlich 吸附模型是根据根据经验推导而来，本质上是一种经验公式，因此其对多数吸附类型都具有普遍性，故而对活性炭吸附污水中的 COD 也具有不错的拟合效果。 活性炭吸附实验活性炭吸附实验吸附吸附动力学方程拟合动力学方程拟合 一、数据记录一、数据记录 1、基础数据：、基础数据： 水样体积： 5.00 mL 重铬酸钾消解液体积： 5.00 mL 水样总体积：400 mL 粉末活性炭：300 mg 硫酸亚铁铵滴定液浓度：0.0154 mol/L 搅拌强度：150 r/min 2、滴定实验数据、滴定实验数据 表 7-1 活性炭吸附 COD 滴定实验数据记录 样品 滴定液消耗量 出水 COD COD 去除率 活性炭吸附量 Ml mg/L mg/g 蒸馏水 19.51 0.00 0.00 0.00 原水 18.01 36.96 0.00 0.00 10min 18.42 26.86 0.27 13.47 30min 18.88 15.52 0.58 28.58 50min 18.95 13.80 0.63 30.88 70min 19.27 5.91 0.84 41.40 90min 19.39 2.96