活性炭吸附試驗(yàn)報(bào)告

1、精選1)»環(huán)工綜合實(shí)驗(yàn)（活性炭吸附實(shí)驗(yàn)）實(shí)驗(yàn)報(bào)告專 業(yè) 環(huán)境工程（卓越班） 班 級(jí)姓 名指導(dǎo)教師成 績(jī)東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心二0 一六年11月實(shí)驗(yàn)題目活性炭吸附實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類別綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 通過實(shí)驗(yàn)加深理解活性炭吸附的基本原理? 掌握用間歇式靜態(tài)吸附法確定活性炭等溫吸附式的方法二、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備振蕩器；秒表；錐形瓶、分光光度計(jì)等。三、實(shí)驗(yàn)原理體系中化學(xué)和物理性質(zhì)均勻且能采用常規(guī)方法分離的部分稱為相。不相混溶的兩相接觸時(shí)形成的從一相到另一相的過渡區(qū)域稱為界面。界面有固氣、固液、固固、氣液和液液界面五種。吸附是指在固相-氣相、固相-液相、固相-固相、液相-氣相、液相-液相等體系

2、中，某 一相的物質(zhì)密度或溶于該相中的溶質(zhì)濃度在界面上發(fā)生改變的現(xiàn)象。當(dāng)它們?cè)诮缑鎸又懈患唇缑鎸又械臐舛却笥谠隗w相中的濃度）時(shí)稱為正吸附；反之，稱為負(fù)吸附。大多數(shù)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的吸附作用是正吸附。吸附作用是一種界面現(xiàn)象。吸附作用一般為兩種形式，即：物理吸附和化學(xué)吸附。 物理吸附主要表現(xiàn)為吸附質(zhì)與吸附劑之間通過物理性力（如：范德華力、氫鍵力等）相結(jié)合，具有吸附熱小、速度快、無選擇 性、過程可逆放熱以及吸附為單層/多層的特點(diǎn)，吸附過程受吸附質(zhì)分子尺寸與吸附劑的孔結(jié)構(gòu)控制（分子篩作用）；化學(xué)吸附實(shí)質(zhì)是吸附質(zhì)與吸附劑表面基團(tuán)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以化 學(xué)鍵力相結(jié)合，具有吸附熱大、單層吸附與脫附困難等特點(diǎn)

3、，吸附過程受吸附劑的表面化學(xué)特性、吸附質(zhì)及溶劑的化學(xué)性質(zhì)等因素影響。? 在界面上已被吸附的物質(zhì)或在體相中可以被吸附的物質(zhì)統(tǒng)稱為吸附質(zhì)（adsorbate）,能有效地從氣相或液相中吸附某些組分的固體物質(zhì)稱為吸附劑（adsorbent），吸附劑具備的共同特點(diǎn)是：大的比表面、一定的表面結(jié)構(gòu)和適宜的孔結(jié)構(gòu)，對(duì)吸附質(zhì)有強(qiáng)烈的 選擇性吸附能力，不與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制備工藝方便，易再生和有良好的力學(xué) 強(qiáng)度等。? 吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附性能不僅與吸附質(zhì)分子直徑、吸附劑孔徑大小相關(guān)，還與吸附劑的比表面積、孔結(jié)構(gòu)、及其表面化學(xué)性質(zhì)等有關(guān)。吸附等溫線（Adsorption Isotherm）:指一定溫度條件下吸附平

4、衡時(shí)單位質(zhì)量吸附劑的吸附量q與吸附質(zhì)在流體相中的分壓p350期250200-11M50（氣相吸附）或濃度 c （液相吸附）之間的關(guān)系曲線。q溫度一走溫度一定1r氣相吸附液相吸附P 'C -水中苯酚在樹脂上的吸附等溫線6PWJDJO3PB lunoE<吸附機(jī)理和吸附速率吸附機(jī)理：吸附質(zhì)被吸附劑吸附的過程一般分為三步：（1）外擴(kuò)散（2）內(nèi)擴(kuò)散（3）吸附 外擴(kuò)散：吸附質(zhì)從流體主體通過擴(kuò)散傳遞到吸附劑顆粒的外表面。因?yàn)榱黧w與固體接觸時(shí)，在緊貼固體表面處有一層滯流膜，所以這一步的速率主要取決于吸附質(zhì)以分子擴(kuò)散通過這一滯流膜的傳遞速率。 內(nèi)擴(kuò)散：吸附質(zhì)從吸附劑顆粒的外表面通過顆粒上微孔擴(kuò)散進(jìn)

5、入顆粒內(nèi)部，到達(dá)顆粒的內(nèi)部表面。 吸附：吸附質(zhì)被吸附劑吸附在內(nèi)表面上。對(duì)于物理吸附，第三步通常是瞬間完成的，所以吸附過程的速率由前二步?jīng)Q定。? 活性炭具有良好的吸附性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的一種非極性 的吸附劑。? 由于活性炭為非極性分子，因而溶解度小的非極性物質(zhì)容易被吸附，而不能使其自 由能降低的污染物既溶解度大的極性物質(zhì)不易被吸附?；钚蕴康奈侥芰σ晕饺?量qe表示：? qe=X/M=V(Co-C)/M? 在一定的溫度條件下，當(dāng)存在于溶液中的被吸附物質(zhì)的濃度與固體表面的被吸附物 質(zhì)的濃度處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，吸附就達(dá)到平衡。水和污水處理屮通常用Fruendlich表達(dá)式來比較不

6、同溫度卻不同溶液濃度時(shí)胸活 性炭的吸附容最.即%、= KE"(2)式中狂一吸附容量(mg/g)：扎一與嘅附比衣血枳、需度村關(guān)的系灼*n -與溫度有關(guān)的常歎 I；C吸附平衡時(shí)的濬液儂度(igZL)c這是一個(gè)經(jīng)駿公式、通常用圖解方法求出K, n的值,為了方便易解,柱往將式(2) 變換成線性對(duì)數(shù)關(guān)系式：C -C 1lg%=lg = lgA： + -l?C式中Co-水中被吸附物啟原始濃魔(lUg/L)；C-被吸附物質(zhì)的平衡濃度(mg/Dj畑一活性炭投加量(tug/L),1、吸附劑的比表面積越大，其吸附容量和吸附效果就越好嗎？為什么？答：比表面積越大，不一定吸附容量就越好。 吸附劑的比表面積越

7、大， 只能說明其吸附能力 較大，并不代表吸附容量就越大。吸附容量的大小還與脫吸速度有關(guān)，如果脫吸速度很快， 就算吸附能力再大，吸附容量也還是沒多大提升。吸附容量是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程。吸附劑的良好吸附性能是由于它具有密集的細(xì)孔構(gòu)造，與吸附有關(guān)的物理性能有：a.孔容(VP):吸附劑中微孔的容積稱為孔容，通常以單位重量吸附劑中吸附劑微孔的容積來 表示(cm3/g) ； b比表面積：即單位重量吸附劑所具有的表面積，常用單位是m2/g; c.孔徑與 孔徑分布：在吸附劑內(nèi)，孔的形狀極不規(guī)則， 孔隙大小也各不相同。 細(xì)孔愈多，則孔容愈大， 比表面也大，有利于吸附質(zhì)的吸附。粗孔的作用是提供吸附質(zhì)分子進(jìn)入吸附劑

8、的通路。吸附過程并不是吸附質(zhì)被吸附固定在吸附劑上靜止過程，而是一個(gè)始終在做頻繁物質(zhì)交換的動(dòng)態(tài)過程。吸附質(zhì)在吸附劑上有相同停留時(shí)間的條件下，吸附劑比表面積更大，甲醛分子與吸附劑接觸的機(jī)會(huì)就更多，相應(yīng)吸附量就越大。因此，提高吸附質(zhì)停留時(shí)間并增加吸附劑比 表面積是提升吸附效果的根本措施。但是吸附質(zhì)進(jìn)入吸附劑開孔的最小通過距離對(duì)于吸附性能是非常關(guān)鍵的控制因素，而吸附質(zhì)最小通過距離則同吸附質(zhì)分子直徑直接相關(guān)。如果吸附劑開孔的孔徑過小，吸附質(zhì)最小通過距離大于吸附劑的開孔，則吸附質(zhì)不能進(jìn)入孔內(nèi)，從而不能實(shí)現(xiàn)吸附；如果吸附劑開孔孔 徑過大，雖然吸附質(zhì)可以進(jìn)入孔內(nèi)，但同時(shí)吸附質(zhì)同時(shí)也可以容易的從孔中出來，吸附劑

9、也無法很好的將吸附質(zhì)富集在其孔內(nèi)；因此，只有吸附劑開孔略大且并不過大于吸附質(zhì)最小通過距離時(shí)，才能有很好的吸附效果。另外，表面極性對(duì)于是吸附劑的吸附性能非常重要，而且吸附劑表面的官能團(tuán)可以使吸附劑具有選擇吸附性。通常，吸附劑表面含氧官能團(tuán)越豐富，吸附極性分子的效率越高。2、目前對(duì)吸附劑改性以增加吸附效果研究較多，請(qǐng)問，吸附劑改性的方法有哪些？為何改 性后可以增加吸附效果？答：表面改性也稱表面處理， 是指為達(dá)到某種目的， 任何使固體表面性質(zhì)發(fā)生變化的各種措 施。固體表面改性后，由于表面性質(zhì)發(fā)生了變化，其它一系列性質(zhì)（狹縫、濕潤(rùn)、分散）都 將發(fā)生變化。 通常的改性方法如下：（1） 無機(jī)粉體、增強(qiáng)材料

10、和復(fù)合材料的改性：用硅烷偶聯(lián)劑處理； 用鈦酸酯等偶聯(lián)劑處理； 用表面活性劑覆蓋處理；等離子體處理。（2）高聚物基體的改性：接枝改性；等離子體處理。比如：活性炭雖是非極性吸附劑， 其表面含有相當(dāng)多的含氧基團(tuán)，若硅烷化處理使極性部位憎水化，對(duì)水的接觸角增大，有利于自水溶液中吸附非極性有機(jī)物；反之，若氧化處理 增加炭表面的含氧基團(tuán)，使親水性增強(qiáng)，則能提高自非水溶劑中吸附極性有機(jī)物能力。改性改變吸附效果機(jī)理：吸附作用一般為兩種形式，即：物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附主要表現(xiàn)為吸附質(zhì)與吸附劑之間通過物理性力（如:范德華力、氫鍵力等）相結(jié)合，具有吸附熱小，速度快，無選擇性，過程可逆放熱，以及吸附為單層/多層

11、的特點(diǎn)，吸附過程受吸附質(zhì) 分子尺寸與吸附劑的孔結(jié)構(gòu)控制(分子篩作用)；化學(xué)吸附實(shí)質(zhì)是吸附質(zhì)與吸附劑表面基團(tuán)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以化學(xué)鍵力相結(jié)合，具有吸附熱大，單層吸附與脫附困難等特點(diǎn)，吸附過 程受吸附劑的表面化學(xué)特性，吸附質(zhì)及溶劑的化學(xué)性質(zhì)等因素影響。吸附劑改性就是通過物理化學(xué)方法改變吸附劑與吸附質(zhì)之間的物理性力和化學(xué)鍵力，從而影響吸附效果。四、實(shí)驗(yàn)步驟?1.繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(1) 配制50mg/L活性艷藍(lán)溶液。(2) 用紫外可見分光光度計(jì)對(duì)樣品在500 - 750 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行全程掃描，確定最大吸收波長(zhǎng)。一般最大吸收波長(zhǎng)為 662 - 667nm。(3) 測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線(活性艷藍(lán)濃度0- 20

12、mg/L時(shí)，濃度C與吸光度A成正比)。分別移取 0mL,1mL, 2mL ,4mL , 8mL ,16mL , 32mL 的 50mg/L 活性艷藍(lán)溶液于 100mL 比色管中，加水稀釋至刻度，在上述最佳波長(zhǎng)下，以蒸餾水為參比，測(cè)定吸光度。以濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，擬合出標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。?2吸附等溫線間歇式吸附實(shí)驗(yàn)步驟(1) 將活性炭放在蒸餾水中浸24h，然后放在105C烘箱內(nèi)烘至恒重，再將烘干后 的活性炭壓碎，使其成為 200目以下篩孔的粉狀炭。因?yàn)榱罨钚蕴恳_(dá)到吸附平衡耗時(shí)太長(zhǎng)，往往需數(shù)日或數(shù)周，為了使實(shí)驗(yàn)?zāi)茉诙虝r(shí)間內(nèi)結(jié)束，所以多用粉狀炭。(2) 在錐形瓶中，裝入 30

13、mg的已準(zhǔn)備好的粉狀活性炭。(3) 在錐形瓶中各注入100mL水，然后按下列體積加入濃度為 50mg/L的直接藍(lán)溶 液：0mL , 12mL , 24mL, 36mL, 48mL, 60mL , 90mL , 120mL。(4) 將錐形瓶置于振蕩器上振蕩30min，然后用離心法移除活性炭，取上清液測(cè)吸 光度。(5) 計(jì)算各個(gè)錐形瓶中分散藍(lán)的去除率、吸附量。并確定弗蘭德里希常數(shù)? 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：從離心管中取上清液用移液管，莫直接倒出，避免底部活性碳再次泛起。五、實(shí)驗(yàn)記錄及原始數(shù)據(jù)由于實(shí)驗(yàn)所用比色管為 50ml，而實(shí)驗(yàn)步驟中的比色管為100ml，因此所有濃度都要X 2。標(biāo)準(zhǔn)曲線1濃度(mg/L)吸

14、光度(Abs)0010.00720.01340.02780.048160.096320.176標(biāo)準(zhǔn)曲線方程/線性相關(guān)系數(shù)當(dāng)前溫度：19.6 C粉末活性炭間歇吸附試驗(yàn)記錄直接藍(lán)加入量(mL)濃度(mg/L)吸光度(Abs)剩余濃度(mg/L)吸附容量(mg/g)0000/125.3570.0050.3820.00557249.6770.0182.7450.008603613.2350.0284.5640.01184816.2160.0539.1090.01056018.7500.0203.1090.02509023.6840.0304.9270.035612027.2730.0508.5640.

15、0412標(biāo)準(zhǔn)曲線2濃度（mg/L）吸光度（Abs）0010.00320.01040.02180.043160.101320.158標(biāo)準(zhǔn)曲線方程/線性相關(guān)系數(shù)當(dāng)前溫度：19.6 C顆?；钚蕴块g歇吸附試驗(yàn)記錄直接藍(lán)加入量濃度吸光度剩余濃度吸附容量（mL）（mg/L）（Abs）（mg/L）（mg/g）0000/125.3570.0254.5490.0009249.6770.0458.4710.00153613.2350.06111.6080.00224816.2160.08315.9220.00046018.7500.09518.2750.00089023.6840.12624.353-0.0013

16、12027.2730.14728.471-0.0026六、數(shù)據(jù)處理及結(jié)論粉末活性炭間歇吸附曲線由于曲線有不符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)存在，需要取舍，因此選擇12mL、24mL、36mL的數(shù)據(jù)來做吸附容量曲線。-1-9-2.3fiC由 y=0.8168x-2.8551 可得：lgK=-2.85511/n=0.8168K=0.058n=1.22顆?；钚蕴块g歇吸附曲線由于計(jì)算出來的吸附容量有負(fù)數(shù)，因此選擇12mL、24mL、36mL的數(shù)據(jù)來做吸附容量曲線。由 y=0.9712x-3.7611 可得，lgK=-3.76111/n=0.9712K=0.023 n=1.03由以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)曲線可以發(fā)現(xiàn)，吸光度的變動(dòng)

17、有點(diǎn)幅度，并出現(xiàn)吸附容量有負(fù)數(shù)的情況，實(shí)驗(yàn)誤差偏大，因此縱觀整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，可能因?yàn)殡x心的時(shí)間不夠長(zhǎng)，或者離心的過程中晃動(dòng)太大，有影響到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，也有可能是機(jī)器的原因，儀器誤差。另外在測(cè)吸光度的時(shí)候，可能因?yàn)閯?dòng)作幅度太大，使得離心過后的活性炭又有上浮的趨勢(shì)，人員誤差和操作誤差導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果有誤差。七、思考題?1工業(yè)上常用的吸附劑有哪些？應(yīng)用上有什么區(qū)別。答：目前最常應(yīng)用的吸附劑有：1）碳質(zhì)為基本成分的吸附劑， 如活性炭、活性碳纖維、 炭黑、碳分子篩等；2）多孔金屬和非金屬氧化物吸附劑，如 ：硅膠、氧化鋁、沸石分 子篩等；3）樹脂吸附劑，女口 ：非極性、弱極性和極性吸附樹脂等。應(yīng)用上的區(qū)別舉例如下

18、：1硅膠：硅膠是一種堅(jiān)硬、無定形鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸聚合物顆粒，分子式為 SiO2.nH20，為一種親水性的極性吸附劑。工業(yè)上用的硅膠分成粗孔和細(xì)孔兩種。粗孔硅膠在相對(duì)濕度飽和的條件下，吸附量可達(dá)吸附劑重量的8 0%以上，而在低 濕度條件下，吸附量大大低于細(xì)孔硅膠。硅膠對(duì)水有較強(qiáng)的親和力，是一種對(duì)微量 水深度干燥用的吸附劑。2活性炭、活性碳纖維（ACF）:活性炭是將木炭、果殼、煤等含碳原料經(jīng)炭化、活 化后制成的?；钚蕴亢泻芏嗝?xì)孔構(gòu)造所以具有優(yōu)異的吸附能力。因而它用途遍 及水處理、脫色、氣體吸附等各個(gè)方面。ACF采用聚丙烯睛、粘膠、瀝青、酚醛樹脂等制備，吸附特點(diǎn)為比表面積大、吸附容量大、對(duì)低

19、濃度物質(zhì)的吸附能力特別優(yōu) 良，即使對(duì)痕量級(jí)吸附質(zhì)仍保持很高的吸附率；吸附和脫附的速率都快；ACF對(duì)氣體的吸附一般能在數(shù)十秒或幾分鐘達(dá)到平衡，脫附路徑短，脫附速率也快：吸附選擇性強(qiáng)；生成碳粉塵少，容易再生和再利用；兼有纖維的各種特性， 能制成纖維束、紙、 布和氈等形狀，且性能良好；并且可與其他性能的材料形成復(fù)合材料。3.沸石分子篩：又稱合成沸石或分子篩，其化學(xué)組成通式為M2（ I ）M（ n ）O.Al2O3.nSiO2.mH2O。沸石的特點(diǎn)是具有分子篩的作用，它有均勻 的孔徑，如3A0、4A0、5A0、10A0細(xì)孔。有4AO孔徑的4AO沸石可吸附甲烷、乙 烷，而不吸附三個(gè)碳以上的正烷烴。它已廣

20、泛用于氣體吸附分離、氣體和液體干燥 以及正異烷烴的分離。4碳分子篩：實(shí)際上也是一種活性炭，它與一般的碳質(zhì)吸附劑不同之處，在于其微 孔孔徑均勻地分布在一狹窄的范圍內(nèi)，微孔孔徑大小與被分離的氣體分子直徑相當(dāng)，微孔的比表面積一般占碳分子篩所有表面積的90%以上。碳分子篩的孔結(jié)構(gòu)主要分布形式為：大孔直徑與碳粒的外表面相通，過渡孔從大孔分支出來，微孔又從過渡 孔分支出來。在分離過程中，大孔主要起運(yùn)輸通道作用，微孔則起分子篩的作用。碳分子篩在空氣分離制取氮?dú)忸I(lǐng)域已獲得了成功，在其它氣體分離方面也有廣闊的 前景。5合成吸附樹脂：吸附樹脂為純的有機(jī)液體聚合而成，能有效地清除陸地泄漏物和 水體的不溶性漂浮物。常用的合成吸附劑有聚氨酯、聚丙烯和有大量網(wǎng)眼的樹脂。聚氨酯有外表敞開式多孔狀、外表面封閉式多