石家莊粉狀活性炭吸附法處理廢水概念及技術

石家莊粉狀活性炭吸附法處理廢水概念及技術 活性炭是一種既傳統又現代的材料。隨著人類社會的不斷發展，活性炭己經在食品、醫藥、化工、環保等諸多的領域得到了廣泛應用;應用數量也不斷遞增。近幾年來，全球對活性炭的使用量年年增長。我國活性炭產量己經居世界前列，但是我國生產的活性炭性能一般，性能優良活性炭主要還是依靠進口。

　　制備活性炭的原料非常豐富，如煤、果殼、稻殼、石油焦、樹脂、瀝青、廢舊輪胎等。其中，果殼類原材料來源廣泛、成本低廉，并且具有優質的天然結構，利于形成發達微孔結構，己經得到越來越多的關注。活性炭制備方法主要分為兩大類:化學活化法和物理活化法?；瘜W活化是通過化學試劑如KOH、Zncl2等與碳材料發生一系列的交聯或縮聚反應，進而創造出豐富微孔;物理活化是利用空氣、二氧化碳、水蒸氣等氧化性氣體在高溫下與碳材料內碳原子反應?；瘜W活化優點是活化時間短、活化溫度低。但是，大量化學試劑的使用提高了制備成本，高溫下對設備有較強腐蝕作用，在洗滌過程中需要大量水，這些廢水經過復雜處理工藝后才能達到環保排放要求。正是這一原因，目前，在工業上大多采用水蒸氣活化來制備活性炭。

　　活化物理優點是工藝簡單、清潔，活化后不需要洗滌。水蒸氣活化速度較快，但是很難得到高比表面積活性炭;采用二氧化碳活化，可以得到高比表面積活性炭，但其活化溫度高、速度慢，因此能耗很高，活化時間通常需要凡十小時，甚至上百小時。加入適當催化劑可有效縮短活化時間，但是仍然難以滿足工業化生產需要。
活性炭吸附法處理廢水的數學模型
內容： 針對活性炭處理電鍍工業廢水的吸附過程,運用導數的實際意義建立了描述廢水的質量濃度的相對變化率和活性炭的相對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程中需要考慮的幾個問題,如活性炭的投加量、活性炭達到吸附平衡時所需的時間及廢水中金屬離子去除率的問題等,對實際工藝過程具有很好的指導作用.

    在電鍍工業廢水中,含有大量Cr(VI)及少量的金屬陽離子和陰離子,如不經處理直接排放,將嚴重污染人類賴以生存的環境.在處理電鍍工業廢水的方法中,活性炭吸附法被廣泛使用.活性炭對金屬離子的吸附機理被認為主要是金屬離子在活性炭表面的離子交換吸附.同時還有重金屬離子與活性炭表面的含氧官能團之間的化學吸附、金屬離子在活性炭表面沉積而發生的物理吸附.活性炭具有巨大的表面積,所以有很強的物理吸附和化學還原功能.在活性炭吸附法處理廢水的研究方面,自20世紀70年代初以來,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上有較大規模的應用,并取得了滿意的效果.但國內外對活性炭吸附法處理廢水上建立數學模型的研究卻是很少見.本文通過對活性炭吸附法處理電鍍工業廢水的實驗數據分析,建立了活性炭處理電鍍工業廢水的數學模型,解決了活性炭吸附法處理電鍍工業廢水過程中幾個需要考慮的問題,如活性炭的投加量、活性炭達到吸附平衡時所需的時間及活性炭達到吸附平衡時廢水中金屬離子的去除率問題等.

    1·實驗數據分析

    事實上,活性炭吸附溶液中的金屬離子受溫度和pH值的影響.實驗結果表明:當溫度低于30℃、溶液中的pH值在3·5~4·5之間時,活性炭的吸附效果較好.由于本文針對活性炭的用量和吸附時間進行研究,所以不討論溫度和pH值的問題.實驗一:活性炭吸附廢水中金屬離子的吸附時間與廢水濃度的實驗.

    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,調原水pH值為4,把相同質量(1g)活性炭3份放入已編號的250mL具塞錐形瓶中;用移液管分別移取相同體積的原水50mL依次放入已編號的錐形瓶中;加塞密封,放在振蕩器上振蕩;使振蕩時間分別為0·5、1、1·5、2、2·5、和3h;真空抽濾,取中間濾液;化驗分析、測定不同時間吸附后重金屬離子Cu+2、Pb+2和溶解性砷的濃度,結果如表1所示.

    表1結果顯示:在初始階段,即廢水的質量濃度較大時,活性炭的吸附速率較大.隨著吸附的進行,廢水的質量濃度下降,活性炭的吸附速率越來越慢.活性炭的吸附速率反應了活性炭的變化規律.在初始階段,活性炭的吸附速率較大,活性炭的相對變化率也較大;隨著吸附的進行,吸附速率變小,活性炭的相對變化率也變小.因此,活性炭的相對變化率是一個單調遞減的函數,且遞減的速率越來越慢.實驗二:廢水中金屬離子濃度與吸附率的關系實驗.

    實驗溫度:室溫(11℃);稱重量均為0·8g,型號為PJ8×30,粒度為0.045mm經預處理后的活性炭四份,放入已編號的250mL錐形瓶中;用50mL移液管分別移取上述已調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,去過濾初液,取過濾過程中的各中間濾樣分別進行化驗分析(如圖1).

    圖1表明,隨著溶液中初始砷濃度的增加,活性炭對砷的吸附率是逐漸增加的.由于溶質砷濃度的增加,溶液中單位體積內的溶質數也相應增加,因而單位時間內與活性炭接觸的溶質分子數也增加,所以吸附率增大.

    一般來說,廢水的質量濃度高,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,廢水的質量濃度變化較快.相反,廢水的質量濃度變化較慢.所以,廢水的質量濃度的變化率與廢水的質量濃度及活性炭的表面積大小(可以用沒有發生吸附反應的活性炭的量表示)有關.

    基于以上的分析,作如下假設:

    1)本模型假設活性炭的物理結構為顆粒狀、廢水的pH值為4、溫度在室溫(21℃)下,既活性炭的吸附條件達到了實驗要求.

    2)在一定條件下,活性炭的投加量為Q0,發生吸附反應的活性炭的量記為Q(t).

    3)在一定條件下,廢水的質量濃度記為P(t),且

    4)在一定條件下,廢水的質量濃度的相對變化率正比于廢水濃度P(t)和沒有進行吸附反應的活性炭的量Q0-Q(t).

    2·活性炭吸附法處理廢水的數學模型

    2·1 模型1:活性炭的變化過程模型

    2·2 模型2:溶液質量濃度的變化過程模型由假設4)知,在一定的條件下,廢水的質量濃度相對變化率正比于廢水的質量濃度P(t)和沒有進行吸附反應的活性炭的量Q0-Q(t),應有

    其中,b是比例系數大于零,負號表示廢水的質量濃度由高到低變化.

    3·模型求解與驗證

    3·1 Matlab求解模型1

    3·3 模型驗證

    為了驗證模型的正確性,本文闡述了活性炭吸附水溶液中砷的特性研究實驗,然后對實驗研究的結果加以分析.

    1)活性炭吸附水溶液中砷的特性研究實驗[10]室溫(約21℃),分別稱取重量分別為:0·2、0·4、0·6、0·8、1·0g預處理后的活性炭五份分別放入已經干燥并編號的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的小燒杯中,調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,去過濾初液,過濾過程中的各中間濾樣分別進行化驗分析.

    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99·9%以上.隨著吸附時間的增加,溶液中砷的濃度逐漸降低,吸附率明顯升高.一定時間后,如圖中所示,吸附時間等于2·5h的吸附率與吸附3h后的相同,這說明當吸附時間為2·5h,吸附基本已達平衡,即便再增加吸附時間溶液中的砷濃度基本不發生變化.所以平衡時間可定為2·5h.

 
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