1、環工綜合實驗（1）（活性炭吸附實驗）實驗報告專業環境工程（卓越班）班級姓名指導教師成績東華大學環境科學與工程學院實驗中心二0一六年11月實驗題目活性炭吸附實驗實驗類別綜合實驗室實驗時間實驗環境溫度：濕度：同組人數2本實驗報告由我獨立完成，絕無抄襲！承諾人簽名、實驗目的?通過實驗加深理解活性炭吸附的基本原理?掌握用間歇式靜態吸附法確定活性炭等溫吸附式的方法二、實驗儀器及設備振蕩器；秒表；錐形瓶、分光光度計等。三、實驗原理體系中化學和物理性質均勻且能采用常規方法分離的部分稱為相。不相混溶的兩相接觸時形成的從一相到另一相的過渡區域稱為界面。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-

2、氣相、固相-液相、固相-固相、液相-氣相、液相-液相等體系中，某一相的物質密度或溶于該相中的溶質濃度在界面上發生改變的現象。當它們在界面層中富集（即界面層中的濃度大于在體相中的濃度）時稱為正吸附；反之，稱為負吸附。大多數有實際應用價值的吸附作用是正吸附。吸附作用是一種界面現象。吸附作用一般為兩種形式，即：物理吸附和化學吸附。物理吸附主要表現為吸附質與吸附劑之間通過物理性力（如：范德華力、氫鍵力等）相結合，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，吸附過程受吸附質分子尺寸與吸附劑的孔結構控制（分子篩作用）；化學吸附實質是吸附質與吸附劑表面基團之間發生化學反應，以化學

3、鍵力相結合，具有吸附熱大、單層吸附與脫附困難等特點，吸附過程受吸附劑的表面化學特性、吸附質及溶劑的化學性質等因素影響。?在界面上已被吸附的物質或在體相中可以被吸附的物質統稱為吸附質（adsorbate）,能有效地從氣相或液相中吸附某些組分的固體物質稱為吸附劑（adsorbent）,吸附劑具備的共同特點是：大的比表面、一定的表面結構和適宜的孔結構，對吸附質有強烈的選擇性吸附能力，不與介質發生化學反應，制備工藝方便，易再生和有良好的力學強度等。?吸附劑對吸附質的吸附性能不僅與吸附質分子直徑、吸附劑孔徑大小相關，還與吸附劑的比表面積、孔結構、及其表面化學性質等有關。吸附等溫線(AdsorptionI

4、sotherm):指一定溫度條件下吸附平衡時單位質量吸附劑的吸附量q與吸附質在流體相中的分壓p（氣相吸附）或濃度c（液相吸附）之間的關系曲線。SOE)luncEVConcentration(mg/L)吸附機理和吸附速率吸附機理：吸附質被吸附劑吸附的過程一般分為三步：(1)外擴散(2)內擴散(3)吸附外擴散：吸附質從流體主體通過擴散傳遞到吸附劑顆粒的外表面。因為流體與固體接觸時，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以分子擴散通過這一滯流膜的傳遞速率。內擴散：吸附質從吸附劑顆粒的外表面通過顆粒上微孔擴散進入顆粒內部，到達顆粒的內部表面。吸附：吸附質被吸附劑吸附在內表面上。

5、對于物理吸附，第三步通常是瞬間完成的，所以吸附過程的速率由前二步決定。?活性炭具有良好的吸附性能和化學穩定性，是目前國內外應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不易被吸附?；钚蕴康奈侥芰σ晕饺萘縬e表示：?qe=X/M=V（Co-C）/M?在一定的溫度條件下，當存在于溶液中的被吸附物質的濃度與固體表面的被吸附物質的濃度處于動態平衡時，吸附就達到平衡。在水和污水處理中通常用Fruendlich表達式來比較不同溫度和不同溶液濃度時的活性炭的吸附容量，即4二（2）式1,七一吸附容量（iJig/

6、g）-；K-與吸附比表面枳、溫度與關的系數；L與溫度有關的常數，用）1：C-吸附平衡時的溶液濃度（噂幾），這是一個經驗公式，通常用圖解方法求出K,口的值，為了方便易解，往往符城變換成線性對數關系式；C-CIlgg”g=lgK+ngC川n式巾水中被吸附物質原始源度（噸幾）；C-被吸附物質的平衡濃度5g/L）：用一活性炭投加量（rog/Ll1、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，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

7、提升。吸附容量是一個動態平衡的過程。吸附劑的良好吸附性能是由于它具有密集的細孔構造，與吸附有關的物理性能有：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，孔的形狀極不規則，孔隙大小也各不相同。細孔愈多，則孔容愈大，比表面也大，有利于吸附質的吸附。粗孔的作用是提供吸附質分子進入吸附劑的通路。吸附過程并不是吸附質被吸附固定在吸附劑上靜止過程，而是一個始終在做頻繁物質交換的動態過程。吸附質在吸附劑上有相同停留時間的條件下，吸附劑比表面積更大，甲

8、醛分子與吸附劑接觸的機會就更多，相應吸附量就越大。因此，提高吸附質停留時間并增加吸附劑比表面積是提升吸附效果的根本措施。但是吸附質進入吸附劑開孔的最小通過距離對于吸附性能是非常關鍵的控制因素，而吸附質最小通過距離則同吸附質分子直徑直接相關。如果吸附劑開孔的孔徑過小，吸附質最小通過距離大于吸附劑的開孔，則吸附質不能進入孔內，從而不能實現吸附；如果吸附劑開孔孔徑過大，雖然吸附質可以進入孔內，但同時吸附質同時也可以容易的從孔中出來，吸附劑也無法很好的將吸附質富集在其孔內；因此，只有吸附劑開孔略大且并不過大于吸附質最小通過距離時，才能有很好的吸附效果。另外，表面極性對于是吸附劑的吸附性能非常重要，而且

9、吸附劑表面的官能團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越豐富，吸附極性分子的效率越高。2、目前對吸附劑改性以增加吸附效果研究較多，請問，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，是指為達到某種目的，任何使固體表面性質發生變化的各種措施。固體表面改性后，由于表面性質發生了變化，其它一系列性質(狹縫、濕潤、分散)都將發生變化。通常的改性方法如下：(1)無機粉體、增強材料和復合材料的改性：用硅烷偶聯劑處理；用鈦酸酯等偶聯劑處理；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

10、含有相當多的含氧基團，若硅烷化處理使極性部位憎水化，對水的接觸角增大，有利于自水溶液中吸附非極性有機物；反之，若氧化處理增加炭表面的含氧基團，使親水性增強，則能提高自非水溶劑中吸附極性有機物能力。改性改變吸附效果機理：吸附作用一般為兩種形式，即：物理吸附和化學吸附。物理吸附主要表現為吸附質與吸附劑之間通過物理性力(如:范德華力、氫鍵力等)相結合，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，吸附過程受吸附質分子尺寸與吸附劑的孔結構控制(分子篩作用)；化學吸附實質是吸附質與吸附劑表面基團之間發生化學反應，以化學鍵力相結合，具有吸附熱大，單層吸附與脫附困難等特點，吸附過

11、程受吸附劑的表面化學特性，吸附質及溶劑的化學性質等因素影響。吸附劑改性就是通過物理化學方法改變吸附劑與吸附質之間的物理性力和化學鍵力，從而影響吸附效果。四、實驗步驟?1.繪制標準曲線(1)配制50mg/L活性艷藍溶液。(2)用紫外可見分光光度計對樣品在500-750nm波長范圍內進行全程掃描，確定最大吸收波長。一般最大吸收波長為662-667nm。(3)測定標準曲線(活性艷藍濃度0-20mg/L時，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活性艷藍溶液于100mL比色管中，加水稀釋至刻度，在上述最佳波長下，以蒸儲水為參比，測定吸光

12、度。以濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制標準曲線，擬合出標準曲線方程。?2.吸附等溫線間歇式吸附實驗步驟(1)將活性炭放在蒸儲水中浸24h,然后放在105c烘箱內烘至恒重，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。因為粒狀活性炭要達到吸附平衡耗時太長，往往需數日或數周，為了使實驗能在短時間內結束，所以多用粉狀炭。(2)在錐形瓶中，裝入30mg的已準備好的粉狀活性炭。(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

13、心法移除活性炭，取上清液測吸光度。(5)計算各個錐形瓶中分散藍的去除率、吸附量。并確定弗蘭德里希常數?實驗注意事項：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、實驗記錄及原始數據2。由于實驗所用比色管為50ml,而實驗步驟中的比色管為100ml,因此所有濃度都要X標準曲線1濃度(mg/L)吸光度(Abs)0010.00720.01340.02780.048160.096320.176標準曲線方程/線性相關系數當前溫度：19.6C粉末活性炭間歇吸附試驗記錄直接藍加入量(mL)濃度(mg/L)吸光度(Abs)剩余濃度(mg/L)吸附容量(mg/g)0000/125.3570

14、.0050.3820.00557249.6770.0182.7450.008603613.2350.0284.5640.01184816.2160.0539.1090.01056018.7500.0203.1090.02509023.6840.0304.9270.035612027.2730.0508.5640.0412標準曲線210.00320.01040.02180.043160.101320.1580.1£03厚度當前溫度：19.6C濃度吸光度標準曲線方程/線性相關系數(mg/L)(Abs)顆粒活性炭間歇吸附試驗記錄直接藍加入量(mL)濃度(mg/L)吸光度(Abs)剩余濃度(

15、mg/L)吸附容量(mg/g)0000/125.3570.0254.5490.0009249.6770.0458.4710.00153613.2350.06111.6080.00224816.2160.08315.9220.00046018.7500.09518.2750.00089023.6840.12624.353-0.001312027.2730.14728.471-0.0026六、數據處理及結論粉末活性炭間歇吸附曲線Ige由于曲線有不符合實驗結果的數據存在，需要取舍，因此選擇12mL、24mL、36mL的數據來做吸附容量曲線。由y=0.8168x-2.8551可得：lgK=-2.855

16、11/n=0.8168n=1.22K=0.058顆?；钚蕴块g歇吸附曲線由于計算出來的吸附容量有負數，因此選擇12mL、24mL、36mL的數據來做吸附容量曲線。-2,6由y=0.9712x-3.7611可得，lgK=-3.76111/n=0.9712K=0.023n=1.03由以上兩個實驗曲線可以發現，吸光度的變動有點幅度，并出現吸附容量有負數的情況，實驗誤差偏大，因此縱觀整個實驗過程，可能因為離心的時間不夠長，或者離心的過程中晃動太大，有影響到實驗的結果，也有可能是機器的原因，儀器誤差。另外在測吸光度的時候，可能因為動作幅度太大，使得離心過后的活性炭又有上浮的趨勢，人員誤差和操作誤差導致實驗

17、結果有誤差。七、思考題?1.工業上常用的吸附劑有哪些？應用上有什么區別。答：目前最常應用的吸附劑有：1）碳質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，如：非極性、弱極性和極性吸附樹脂等。應用上的區別舉例如下：1 .硅膠：硅膠是一種堅硬、無定形鏈狀和網狀結構的硅酸聚合物顆粒，分子式為SiO2.nH2O,為一種親水性的極性吸附劑。工業上用的硅膠分成粗孔和細孔兩種。粗孔硅膠在相對濕度飽和的條件下，吸附量可達吸附劑重量的80%以上，而在低濕度條件下，吸附量大大低于細孔硅膠。硅膠對水有較強的親和力，是一種

18、對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、煤等含碳原料經炭化、活化后制成的?；钚蕴亢泻芏嗝毧讟嬙焖跃哂袃灝惖奈侥芰?。因而它用途遍及水處理、脫色、氣體吸附等各個方面。ACF采用聚丙烯睛、粘膠、瀝青、酚醛樹脂等制備，吸附特點為比表面積大、吸附容量大、對低濃度物質的吸附能力特別優良，即使對痕量級吸附質仍保持很高的吸附率；吸附和脫附的速率都快；ACF對氣體的吸附一般能在數十秒或幾分鐘達到平衡，脫附路徑短，脫附速率也快：吸附選擇性強；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

19、成復合材料。3 .沸石分子篩：又稱合成沸石或分子篩，其化學組成通式為M2（I）M（n）O.Al2O3.nSiO2.mH2O。沸石的特點是具有分子篩的作用，它有均勻的孔徑，如3A0、4A0、5A0、10A0細孔。有4A0孔徑的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三個碳以上的正烷燒。它已廣泛用于氣體吸附分離、氣體和液體干燥以及正異烷脛的分離。4 .碳分子篩：實際上也是一種活性炭，它與一般的碳質吸附劑不同之處，在于其微孔孔徑均勻地分布在一狹窄的范圍內，微孔孔徑大小與被分離的氣體分子直徑相當，微孔的比表面積一般占碳分子篩所有表面積的90%以上。碳分子篩的孔結構主要分布形式為：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氣領域已獲得了成功，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、聚丙烯和有大量網眼的樹脂。聚氨酯有外表敞開式多孔狀、外表面封閉式多孔狀