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果殼活性吸附組合法水處理工藝
內(nèi)容： 臭氧氧化與活性炭吸附組合法是一種新型水處理工藝，特別是在西歐一些國(guó)家，諸如原西德、法國(guó)和意大利等國(guó)，已經(jīng)應(yīng)用多年。例如，法國(guó)利用活性炭+臭氧處理法進(jìn)行凈化飲用水，其用活性炭的方法有下列兩種:①在沉淀之前投加粉狀活性炭，如莫桑水廠投加量為8-10mg/L，柏萊水廠因水污染嚴(yán)重，投加量為100mg/L。②在濾池后投加粒狀活性炭，并產(chǎn)生生物凈化作用。日本利用臭氧/活性炭組合法處理含硫廢水，氧化程度深、反應(yīng)時(shí)間短、處理效率高、無(wú)二次污染，設(shè)備投資費(fèi)和操作費(fèi)用也低。日本大阪市用臭氧-椰殼活性炭氧化工藝法處理工業(yè)廢水，其脫臭率接近100%。美國(guó)利用臭氧/活性炭組合法處理廢水，解決了單獨(dú)用粒狀活性炭處理廢水所存在的一些問(wèn)題。我國(guó)哈爾濱化工區(qū)地下水和撫順渾河水源用臭氧加活性炭組合法處理水中污染物，取得了良好效果。
臭氧是氧的同素異形體，由三個(gè)氧原子構(gòu)成。臭氧具有極強(qiáng)的氧化能力。自1905年起，臭氧開始在水處理領(lǐng)域得到應(yīng)用，最初是用作飲用水的消毒劑。70年代末，世界上用臭氧消毒的自來(lái)水廠已達(dá)1200多座。臭氧氧化法深度處理廢水是臭氧在水處理中應(yīng)用的另一領(lǐng)域。國(guó)外利用臭氧處理工業(yè)廢水(包括煉油、石化、化工、印染及含酚廢水等)已經(jīng)取得明顯成效。90年代以來(lái)臭氧在水處理中新的應(yīng)用領(lǐng)域，即用臭氧處理冷卻水技術(shù)也得到進(jìn)一步應(yīng)用。自70年代以來(lái)，我國(guó)利用臭氧處理自來(lái)水及一些工業(yè)廢水取得一定進(jìn)展。
在臭氧活性炭組合法應(yīng)用過(guò)程中，由于在活性炭吸附段前投加臭氧，它以極強(qiáng)的氧化能力使許多大分子有機(jī)物分解為小分子而容易被活性炭脫附，這既達(dá)到水的深度凈化目的，又是活性炭再生過(guò)程，從而顯著延長(zhǎng)活性炭使用壽命、簡(jiǎn)化操作，比單用臭氧法處理可減少臭氧用量。
針對(duì)活性炭處理電鍍工業(yè)廢水的吸附過(guò)程,運(yùn)用導(dǎo)數(shù)的實(shí)際意義建立了描述廢水的質(zhì)量濃度的相對(duì)變化率和活性炭的相對(duì)變化率的微分方程模型.本模型解決了活性炭吸附法處理廢水過(guò)程中需要考慮的幾個(gè)問(wèn)題,如活性炭的投加量、活性炭達(dá)到吸附平衡時(shí)所需的時(shí)間及廢水中金屬離子去除率的問(wèn)題等,對(duì)實(shí)際工藝過(guò)程具有很好的指導(dǎo)作用.
在電鍍工業(yè)廢水中,含有大量Cr(VI)及少量的金屬陽(yáng)離子和陰離子,如不經(jīng)處理直接排放,將嚴(yán)重污染人類賴以生存的環(huán)境.在處理電鍍工業(yè)廢水的方法中,活性炭吸附法被廣泛使用.活性炭對(duì)金屬離子的吸附機(jī)理被認(rèn)為主要是金屬離子在活性炭表面的離子交換吸附.同時(shí)還有重金屬離子與活性炭表面的含氧官能團(tuán)之間的化學(xué)吸附、金屬離子在活性炭表面沉積而發(fā)生的物理吸附.活性炭具有巨大的表面積,所以有很強(qiáng)的物理吸附和化學(xué)還原功能.在活性炭吸附法處理廢水的研究方面,自20世紀(jì)70年代初以來(lái),粒狀活性炭在煉油廢水、炸藥廢水、印染廢水、化工廢水、電鍍廢水等處理上都已在生產(chǎn)上有較大規(guī)模的應(yīng)用,并取得了滿意的效果.但國(guó)內(nèi)外對(duì)活性炭吸附法處理廢水上建立數(shù)學(xué)模型的研究卻是很少見.本文通過(guò)對(duì)活性炭吸附法處理電鍍工業(yè)廢水的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,建立了活性炭處理電鍍工業(yè)廢水的數(shù)學(xué)模型,解決了活性炭吸附法處理電鍍工業(yè)廢水過(guò)程中幾個(gè)需要考慮的問(wèn)題,如活性炭的投加量、活性炭達(dá)到吸附平衡時(shí)所需的時(shí)間及活性炭達(dá)到吸附平衡時(shí)廢水中金屬離子的去除率問(wèn)題等.
1·實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
事實(shí)上,活性炭吸附溶液中的金屬離子受溫度和pH值的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)溫度低于30℃、溶液中的pH值在3·5~4·5之間時(shí),活性炭的吸附效果較好.由于本文針對(duì)活性炭的用量和吸附時(shí)間進(jìn)行研究,所以不討論溫度和pH值的問(wèn)題.實(shí)驗(yàn)一:活性炭吸附廢水中金屬離子的吸附時(shí)間與廢水濃度的實(shí)驗(yàn).
廢水中Cu+2、Pb+2和溶解性砷的濃度分別為11·21mg/L、1·84mg/L和2.11mg/L.室溫(21℃下,調(diào)原水pH值為4,把相同質(zhì)量(1g)活性炭3份放入已編號(hào)的250mL具塞錐形瓶中;用移液管分別移取相同體積的原水50mL依次放入已編號(hào)的錐形瓶中;加塞密封,放在振蕩器上振蕩;使振蕩時(shí)間分別為0·5、1、1·5、2、2·5、和3h;真空抽濾,取中間濾液;化驗(yàn)分析、測(cè)定不同時(shí)間吸附后重金屬離子Cu+2、Pb+2和溶解性砷的濃度,結(jié)果如表1所示.
表1結(jié)果顯示:在初始階段,即廢水的質(zhì)量濃度較大時(shí),活性炭的吸附速率較大.隨著吸附的進(jìn)行,廢水的質(zhì)量濃度下降,活性炭的吸附速率越來(lái)越慢.活性炭的吸附速率反應(yīng)了活性炭的變化規(guī)律.在初始階段,活性炭的吸附速率較大,活性炭的相對(duì)變化率也較大;隨著吸附的進(jìn)行,吸附速率變小,活性炭的相對(duì)變化率也變小.因此,活性炭的相對(duì)變化率是一個(gè)單調(diào)遞減的函數(shù),且遞減的速率越來(lái)越慢.實(shí)驗(yàn)二:廢水中金屬離子濃度與吸附率的關(guān)系實(shí)驗(yàn).
實(shí)驗(yàn)溫度:室溫(11℃);稱重量均為0·8g,型號(hào)為PJ8×30,粒度為0.045mm經(jīng)預(yù)處理后的活性炭四份,放入已編號(hào)的250mL錐形瓶中;用50mL移液管分別移取上述已調(diào)好的含砷濃度分別為1·0mg/L、2·0mg/L、4·0mg/L、5·0mg/L,pH均為4的NaAsO2溶液各一份;依次放入已編號(hào)的錐形瓶中;塞上塞子密封后放在振蕩器上振蕩;振蕩3·0h后停止,真空抽濾,去過(guò)濾初液,取過(guò)濾過(guò)程中的各中間濾樣分別進(jìn)行化驗(yàn)分析(如圖1).
圖1表明,隨著溶液中初始砷濃度的增加,活性炭對(duì)砷的吸附率是逐漸增加的.由于溶質(zhì)砷濃度的增加,溶液中單位體積內(nèi)的溶質(zhì)數(shù)也相應(yīng)增加,因而單位時(shí)間內(nèi)與活性炭接觸的溶質(zhì)分子數(shù)也增加,所以吸附率增大.
一般來(lái)說(shuō),廢水的質(zhì)量濃度高,廢水中的金屬離子含量高,與活性炭的接觸充分,活性炭的吸附速率大,廢水的質(zhì)量濃度變化較快.相反,廢水的質(zhì)量濃度變化較慢.所以,廢水的質(zhì)量濃度的變化率與廢水的質(zhì)量濃度及活性炭的表面積大小(可以用沒(méi)有發(fā)生吸附反應(yīng)的活性炭的量表示)有關(guān).
基于以上的分析,作如下假設(shè):
1)本模型假設(shè)活性炭的物理結(jié)構(gòu)為顆粒狀、廢水的pH值為4、溫度在室溫(21℃)下,既活性炭的吸附條件達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求.
2)在一定條件下,活性炭的投加量為Q0,發(fā)生吸附反應(yīng)的活性炭的量記為Q(t).
3)在一定條件下,廢水的質(zhì)量濃度記為P(t),且
4)在一定條件下,廢水的質(zhì)量濃度的相對(duì)變化率正比于廢水濃度P(t)和沒(méi)有進(jìn)行吸附反應(yīng)的活性炭的量Q0-Q(t).
2·活性炭吸附法處理廢水的數(shù)學(xué)模型
2·1 模型1:活性炭的變化過(guò)程模型
2·2 模型2:溶液質(zhì)量濃度的變化過(guò)程模型由假設(shè)4)知,在一定的條件下,廢水的質(zhì)量濃度相對(duì)變化率正比于廢水的質(zhì)量濃度P(t)和沒(méi)有進(jìn)行吸附反應(yīng)的活性炭的量Q0-Q(t),應(yīng)有
其中,b是比例系數(shù)大于零,負(fù)號(hào)表示廢水的質(zhì)量濃度由高到低變化.
3·模型求解與驗(yàn)證
3·1 Matlab求解模型1
3·3 模型驗(yàn)證
為了驗(yàn)證模型的正確性,本文闡述了活性炭吸附水溶液中砷的特性研究實(shí)驗(yàn),然后對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果加以分析.
1)活性炭吸附水溶液中砷的特性研究實(shí)驗(yàn)[10]室溫(約21℃),分別稱取重量分別為:0·2、0·4、0·6、0·8、1·0g預(yù)處理后的活性炭五份分別放入已經(jīng)干燥并編號(hào)的250ml具塞錐形瓶中;取足量含砷濃度為2.0mg/LNaAsO溶液分別放入已編號(hào)的小燒杯中,調(diào)pH為4;用soml移液管分別移取上述pH為4的溶液各50m,l依次放入已編好號(hào)的錐形瓶中;塞上塞子密封后放在振蕩器上振蕩3h,真空抽濾,去過(guò)濾初液,過(guò)濾過(guò)程中的各中間濾樣分別進(jìn)行化驗(yàn)分析.
由圖3、圖4可知,活性炭吸附可使溶液中的砷濃度降低到<0·01mg/L以下,吸附率可達(dá)99·9%以上.隨著吸附時(shí)間的增加,溶液中砷的濃度逐漸降低,吸附率明顯升高.一定時(shí)間后,如圖中所示,吸附時(shí)間等于2·5h的吸附率與吸附3h后的相同,這說(shuō)明當(dāng)吸附時(shí)間為2·5h,吸附基本已達(dá)平衡,即便再增加吸附時(shí)間溶液中的砷濃度基本不發(fā)生變化.所以平衡時(shí)間可定為2·5h.
碳氮化合物的污染源有：石油化工的生產(chǎn)過(guò)程，使用有機(jī)溶劑的工廠，汽車、輪創(chuàng)、飛機(jī)油類的燃燒等。它們不僅對(duì)人體有害，有的還有致癌和致突變作用，而且在日光下，會(huì)和氮氧化合物造成二次污染的光化學(xué)煙霧。凈化方法有窯、爐直接燃燒，火炬燃燒和催化燃燒。也可廣泛使用活性炭吸附進(jìn)行凈化，雖也可用分子篩或硅膠做吸附劑，但從吸附容量、吸附有機(jī)物的種類來(lái)看，應(yīng)用最廣、效果最好的還是活性炭。用顆粒果殼活性炭凈化廢氣，大都用并聯(lián)操作的固定床吸附器。廢氣進(jìn)氣前應(yīng)做去除其中的微粒和液滴的預(yù)處理。常用水蒸氣脫附再生，經(jīng)脫附、冷凝、分離后回收有機(jī)溶劑，不溶于水的溶劑可用分層而分離；溶于水的溶劑可用精餾而分離。對(duì)少量的水溶性溶劑也可與水一起慘入煤炭進(jìn)爐燒掉。有些有機(jī)溶劑被活性炭吸附，用水蒸氣加以脫附，例如丙烯酸、二丁胺、丙烯酸丁酯、丙烯酸異丁酯、丙烯酸乙酯、甲基乙基吡啶、丁酸、苯酚、異佛爾酮、丙酸、苯酚和戊酸等。對(duì)于難以用水蒸氣脫附再生的有機(jī)物，要選用其他方法，如真空再生、吹掃氣體再生或化學(xué)再生。
用活性炭可從一種烴類或石油類中分離出聚合烴類。對(duì)空氣中七種有機(jī)物如甲苯、丙酮、乙醇、乙腈、乙酸乙酯、氯乙烯、乙酸，以不同原料如椰子、橄欖和棗制成的活性炭分別做吸附測(cè)試，均有良好的吸附力，而以橄欖為原料的活性炭為最佳。分子篩有篩選一定大小分子的作用，原來(lái)從賽綸樹脂制成；現(xiàn)在也可從煤，經(jīng)適當(dāng)方法處理，再經(jīng)均勻活化而得，該類活性炭具有兩個(gè)平行的平面層間距結(jié)構(gòu)，可篩選性地吸附50mm以下的分子。鞏義市億洋凈水材料廠電話：0371-69599709
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