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实验四 活性炭吸附实验
主题词：活性炭 亚甲基蓝 吸附等温线
主要操作：测定标准曲线 间歇吸附 连续吸附
一、实验目的
1、了解活性炭的吸附工艺及性能。
2、掌握用实验方法（含间歇法、连续法）确定活性炭吸附处理污水的设计参数的方法。
二、实验原理
活性炭具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，是目前国内外应用比较多的一种非极性吸附剂。与其他吸附剂相比，活性炭具有微孔发达、比表面积大的特点。通常比表面积可以达到500～1700m/g，这是其吸附能力强，吸附容量大的主要原因。
活性炭吸附主要为物理吸附。吸附机理是活性炭表面的分子受到不平衡的力，而使其他分子吸附于其表面上。当活性炭溶液中的吸附处于动态平衡状态时称为吸附平衡，达到平衡时，单位活性炭所吸附的物质的量称为平衡吸附量。在一定的吸附体系中，平衡吸附量是吸附质浓度和温度的函数。为了确定活性炭对某种物质的吸附能力，需进行吸附试验。当被吸附物质在溶液中的浓度和在活性炭表面的浓度均不再发生变化，此时被吸附物质在溶液中的浓度称为平衡浓度。活性炭的吸附能力用吸附量q表示，即
2
q?V(C0?C)m
式中 q——活性炭吸附量，即单位质量的吸附剂所吸附的物质量，g/g；
V——污水体积，L；
C0,C——分别为吸附前原水及吸附平衡时污水中的物质的浓度，g/L；
m——活性炭投加量，g。 在温度一定的条件下，活性炭的吸附量q与吸附平衡时的浓度c之间关系曲线称为等温线。在水处理工艺中，通常用的等温线有Langmuir和Freundlich等。其中Freundlich等温线的数学表达式为
q?KC
式中 K——与吸附剂比表面积、温度和吸附质等有关的系数；
n——与温度、pH值、吸附剂及被吸附物质的性质有关的常数； q——同前。
K和n可以通过间歇式活性炭吸附实验测得。将上式取对数后变换为
1n1lgq?lgK?lgC
n将q和c相应值绘在双对数坐标上，所得直线斜率为1/n,截距为K。
由于间歇式静态吸附法处理能力低，设备多，故在工程中多采用活性炭进行连续吸附操作。连续流活性吸附性能可用博哈特（Bohart）和压当斯（Adams）关系式表达，即
cKNHln[0?1]?ln[exp(0)?1]?Kc0t cBv
因exp(KN0H/v)>>1，所以上式等号右边括号的1可忽略不计，则工作时间t由上式可得
t?N0vc[H?ln(0?1)] c0vKN0cB式中 t----工作时间，h；
v----流速，即空塔速度，m/h； H----活性炭层高度，m；
K----速度常数，m3/(mg/h)或 L/(mg/h)；
N0----吸附容量，即达到饱和时被吸附物质的吸附量，mg/L； C0----入流溶质浓度，mol/m3 或 mg/L；
CB----允许流出溶质浓度，mol/m3 或 mg/L；
在工作时间为零的时候，能保持出流溶质浓度不超过cB的炭层理论高度称为活性炭层的临界高度H0。其值可根据上述方程当t=0时进行计算，即
H0?vcln(0?1) KN0cB在实验时，如果取工作时间为t,原水样溶质浓度为c01，用三个活性炭柱串联（见上图），第一个柱子出水为cB1，即为第二个活性炭柱的进水c02，第二个活性炭柱的出水为cB2,就是第三个活性炭柱的进水c03,由各炭柱不同的进、出水浓度C0，CB便可求出流速常数K值及吸附容量N。
三、实验设备及试剂
1、间歇式活性炭吸附装置：间歇式吸附用三角烧杯，在烧杯内放入活性炭和水样进行振荡。 2、连续流式活性炭吸附装置：连续式吸附采用有机玻璃柱D25mm╳1000mm,柱内500～750mm高烘干的活性炭，上、下两端均用单孔橡皮塞封牢，各柱下端设取样口。装置具体结构如图所示。
3、间歇与连续流实验所需的实验器材 （1）振荡器（一台）。
（2）有机玻璃柱（3根D25mm╳1000mm）。 （3）活性炭。
（4）三角烧瓶（11个，250mL）。 （5）可见光光度计
（6）漏斗（10个）及滤纸 （7）配水及投配系统。 （8）酸度计（1台）。 （9）温度计（1只）
（10）亚甲基蓝（分析纯）。
活性炭柱串联工作图
四、实验步骤
1．画出标准曲线
（1）配制100 mg/L亚甲基蓝溶液。
（2）用紫外可见分光光度计对样品在250~750nm波长范围内进行全程扫描，确定最大吸收波长。一般最大吸收波长为662~665nm。
（3）测定标准曲线（亚甲基蓝浓度0~4 mg/L时，浓度C与吸光度A成正比）。
分别移取0 mL，0.5 mL，1.0 mL，2.0 mL，2.5 mL，3.0 mL，4.0 mL 的100 mg/L亚甲基蓝溶液于100mL容量瓶中，加水稀释至刻度，在上述最佳波长下，以蒸馏水为参比，测定吸光度。
以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线，拟合出标准曲线方程。 2.间歇式吸附实验步骤
（1）将活性炭放在蒸馏水中浸泡24h，然后在105℃烘箱内烘至恒重（烘24h）,再将烘干的活性炭研碎成能通过200目的筛子的粉状活性炭。
因为粒状活性炭要达到吸附平衡耗时太长，往往需数日或数周，为了使实验能在短时间内结束，所以多用粉状炭。
（2）在三角烧瓶中分别加入0mg、20mg、40mg、60mg、80mg、100mg、120mg、140mg、160mg、180mg和200mg粉状活性炭。
（3）在三角烧瓶中各注入100mL 10mg/L的亚甲基蓝溶液。
（4）将上述三角烧瓶放在振荡器上振荡，当达到吸附平衡时即可停止振荡（振荡时间一般为2h）,然后用静沉法或滤纸过滤法移除活性炭。
（5）测定各三角烧瓶中亚甲基蓝的吸光度，计算亚甲基蓝的去除率、吸附量。
上述原始资料和测定结果计入表中。 3.连续流吸附实验步骤
（1）在吸附柱中加入经水洗烘干后的活性炭。 （2）用自来水配制10mg/L的亚甲基蓝溶液。
（3） 以40~200 mL/min 的流量，按降流方式运行（运行时炭层中不应有空气气泡）。实验
至少要用三种以上的不同流速进行。
（4）在每一流速运行稳定后，每隔10~30min 由各炭柱取样，测定出水的亚甲基蓝的吸光
度。
五、实验数据及结果整理
1. 间歇式吸附实验
实验原始资料和测定结果记录表 编号 原水性状 亚甲基蓝吸光度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 亚甲基蓝浓度(mg/L) 出水性状 亚甲基蓝吸光度 亚甲基蓝浓度(mg/L) 活性炭投加量(mg) 吸附量 q= V(C- C)/m 0 根据记录的数据，以lgq 为纵坐标，lgc为横坐标，得出Freundlich吸附等温线，该等温线截距为lgK，斜率为1/n, 或利用q、c相应数据和式lgq?lgK?1lgC经回归分析，求出K 、nn值。
2. 连续流吸附实验
（1）绘制穿透曲线，同时表示出亚甲基蓝在进水、出水中的浓度与时间的关系。 （2）计算亚甲基蓝在不同时间内转移到活性炭表面的量。计算方法可以采用图解积分法（矩形法或梯形法），求得吸附柱进水或出水曲线与时间之间的面积。 （3）画出去除量与时间的关系曲线。
六、思考题
1．吸附等温线有什么实际意义？
2.作吸附等温线时为什么要用粉状活性炭？
3.间歇式吸附与连续式吸附相比，吸附容量q是否一样？为什么？
4. Freundlich吸附等温线和Bohart-Adams关系式各有什么实验意义？