第二阶段水处理实验讲义

实验六活性炭吸附实验一、概述固体表面的分子或原子因受力不均衡而具有剩余的表面能，当某些物质碰撞固体表面时，受到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上，这就是吸附。这里的固体称为吸附剂。被固体吸附的物质称为吸附质。吸附的结果是吸附质在吸附剂上浓集，吸附剂的表面能降低。吸附可分为三种基本类型化学吸附物理吸附交换吸附二、实验目的1加深理解吸附的基本原理；2通过实验进一步了解活性炭的吸附工艺及性能，熟悉实验过程的操作；3掌握用“间歇”法、“连续流”法确定活性炭处理污水的设计参数的方法及活性炭吸附公式中常数的确定方法。三、实验原理活性炭对水中所含杂质的吸附既有物理吸附现象，也有化学吸附作用。有一些被吸附物质先在活性炭表面上积聚浓缩，继而进入固体晶格原子或分子之间被吸附，还有一些特殊物质则与活性炭分子结合而被吸着。当活性炭对水中所含杂质吸附时，水中的溶解性杂质在活性炭表面积聚而被吸附，同时也有一些被吸附物质由于分子的运动而离开活性炭表面，重新进入水中即同时发生解吸现象。当吸附和解吸处于动态平衡时，即单位时间内活性炭吸附的数量等于解吸的数量时，此时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变化，达到了平衡，称为吸附平衡。这时活性炭和水（即固相和液相）之间的溶质浓度，具有一定的分布比值。如果在一定压力和温度条件下，用m克活性炭吸附溶液中的溶质，被吸附的溶质为x毫克，则单位重量的活性炭吸附溶质的数量qe即吸附容量（平衡吸附量）可按下式计算mxmccVqee)(0（6-1）式中V——溶液体积L；c0、ce———分别为溶质的初始浓度和平衡浓度mg/L；m——吸附剂量(活性炭投加量)g；x——被吸附物质重量，g；显然，平衡吸附量越大，单位吸附剂处理的水量越大，吸附周期越长，运转管理费用越少。qe大小除了决定于活性炭的品种外，还与被吸附物质的性质、浓度、水的温度及pH值有关。一般说来，当被吸附的物质能够与活性炭发生结合反应、被吸附物质又不容易溶解于水而受到水的排斥作用，且活性炭对被吸附物质的亲和作用力强，被吸附物质的浓度又较大时，qe值就比较大。在温度一定的条件下，活性炭的吸附量随被吸附物质平衡浓度的提高而提高，两者之间的变化曲线称为吸附等温线，即将平衡吸附量qe与相应的平衡浓度ce作图得吸附等温线，描述吸附等温线的数学表达式称为吸附等温式。常用的有Langmuir等温式、B.E.T.等温式和Freundlich等温式。在水和污水处理中通常用Freundlich表达式来比较不同温度和不同2溶液浓度时的活性炭的吸附容量：neeKCq1（6-2）式中qe——吸附容量，mg/g；K——Freundlich吸附系数，与吸附比表面积、温度有关的系数；n——与温度有关的常数，n＞1；Ce——吸附平衡时的溶液浓度（mg/L）。式（6-2）是一个经验公式，通常通过间歇式活性炭吸附实验测得qe、Ce一一对应值，再用图解方法求出K、n的值。为了方便易解，将式（6-2）变换成线性对数关系式：eeeCnKmCCqlg1lglglg0（6-3）式中C0——水中被吸附物质原始浓度（mg/L）；Ce——被吸附物质的平衡浓度（mg/L）；m——活性炭投加量（g/L）；将qe、Ce相应值点绘在双对数坐标纸上，所得直线的斜率为n1，截距为k。由于间歇式静态吸附法处理能力低，设备多，故在工程中多采用连续流活性炭吸附法。连续流活性炭的吸附过程同间歇性吸附有所不同，这主要是因为前者被吸附的杂质来不及达到平衡浓度Ce，因此不能直接应用上述公式。这时应对吸附柱进行被吸附杂质泄漏和活性炭耗竭过程实验，也可简单地采用Bohart-Adams关系式tKCvHKNBCC0)1exp(ln10ln0（6-4）10ln1000BCCKCHvCNt（6-5）式中t—工作时间（h）v—吸附柱中流速(m/h)H—活性炭层厚度(m)K—流速常数(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—进水中被吸附物质浓度(mg/L)CB—容许出流溶质浓度(mg/L)根据进水、出流溶质浓度可用式（8-6）估算活性炭柱吸附层的临界厚度，即当t=0时，能保持出流溶质浓度不超过CB的炭层理论厚度。)10ln(00BCCKNvH（6-6）式中H0为临界厚度，其余符号同上面。炭柱的吸附容量（N0）和流速常数（K）可通过连续流活性炭吸附实验并利用式（6-5）t~H线性关系回归或作图法求出。在实验时如果原水样溶质浓度为C01，用三个活性炭柱串联，则第一个活性炭柱的出流浓度CB1即为第二个活性炭柱的入流浓度C02，第二个活性炭柱的出流浓度CB2即为第三个活性炭柱的入流浓度C03。由各炭柱不同的入流、出流浓度C0、CB便可求出流速常数K值。3四、实验装置与设备1．实验装置间歇性吸附采用三角烧杯内装入活性炭和水样进行振荡的方法；连续流式采用有机玻璃柱内装活性炭、水流自上而下（或升流式）连续进出方法。连续流吸附实验装置示意图如图6-1。2．实验设备及仪器仪表振荡器THZ—82型1台pH计pHS型1台活性炭柱、活性炭、水样调配箱、恒位箱、光度计、温度计、水泵等1进水53425图6-1活性炭连续流吸附实验装置示意图1.有机玻璃2.活性炭层3.承托层4.搁板隔网5.单孔橡皮塞五、实验步骤（一）间歇式吸附实验步骤1．取活性炭2000mg放在蒸馏水中浸24h，然后放在103℃烘箱内烘干24h，再将烘干的活性炭研碎成0.1mm以下的粉状。2．配制水样1L，使其含适量的被吸附物。3．取适量水样，测定原水的浓度。4．在5个三角烧杯中分别放入100、200、300、400、500mg粉状活性炭，加入150ml水样，放入振荡器振荡30分钟。5．过滤各三角烧杯中水样，并测定浓度。6．测出原水样pH及温度，记入表6-1-1。（二）连续流吸附实验步骤1．配制水样，使其含适量的被吸附物质，并测出原水的溶质浓度、pH及温度等；2．在活性炭吸附柱中，各装入炭层厚850mm左右的活性炭；3．启动水泵，打开流量计，将配制好的水样连续不断地送入活性炭吸附柱；4．，使原水进入活性炭柱，并控制流量为50ml/min左右，5．运行稳定后，每隔5min测定并记录各活性炭柱出水的溶质浓度，连续运行直至出水中溶质浓度达到进水中溶质浓度的0.9~0.95为止,将结果记录在表6-2-1中；6．变化流速重复进行实验。注意事项：41．间歇吸附实验所求得的qe如果出现负值，则说明活性炭明显地吸附了溶剂，此时应调换活性炭或调换水样。2．连续流吸附实验时，如果第一个活性炭柱出水中溶质浓度值很小，则可增大进水流量或停止第二、三个活性炭柱进水，只用一个炭柱。反之，如果第一个炭柱进出水溶质浓度相差无几，则可减少进水量。3．进入活性炭柱的水中浑浊度较高时，应进行过滤去除杂质。六、实验结果整理（一）间歇式吸附实验结果整理1．实验操作基本参数实验日期年月日水样含量=mg/LpH=温度=℃振荡时间min水样体积ml2．各三角烧杯中水样过滤后测定结果记录在表6-1-1。表6-1-1间歇式吸附实验记录表杯号水样体积（ml）原水样浓度C0(mg/L)吸附平衡后浓度Ce(mg/L)lgCe活性炭投加量m(g/L)mCCe0(mg/g)mCCe0lg3．按式（6-1）计算吸附量qe。将C和相应的q值在双对数坐标纸上绘制出吸附等温线（以mCCe0lg为纵坐标，lgCe为横坐标绘Fruendlich吸附等温线），直线斜率为1/n、截距为K。n1值越小活性炭吸附性能越好，一般认为当n1=0.1~0.5时，水中欲去除杂质易被吸附；n1＞2时难于吸附。当n1较小时多采用间歇式活性炭吸附，当n1较大时，最好采用连续式活性炭吸附。4．从吸附等温线上求出K、n值，代入式（6-2），求出Fruendlich吸附等温式。（二）连续流吸附实验结果整理1．实验测定结果记录表6-2-1连续流吸附实验记录实验日期年月日原水浓度mg/L水温℃pH值活性炭吸附容量qemg/g滤速V（m/h）=炭柱厚（m）H1=H2=H3=工作时间t（min）1号柱2号柱3号柱出水浓度CB(mg/L)C01(mg/L)H1(m)v1(m/h)C02(mg/L)H2(m)V2(m/h)C03(mg/L)H3(m)V3(m/h)5101552025303540455055602．根据实验所测得的数据代入式（6-5）以时间t为纵坐标，以)1(0BCC横坐标，点绘图，直线截距为HVCN00，斜率为KC01；将已知C0、、H、V等值代入，求出流速常数K值和吸附容量N0值。（其中采用qe进行换算，活性炭容重r=0.7g/cm3左右）3．如果出流溶质浓度为10mg/L,求出某一流速下活性炭柱炭层的临界厚度H0。4．按表6-2-2给出各滤速下炭吸附设计参数K、H0、N0值，供活性炭吸附设备设计时参考。表6-2-2活性炭吸附实验结果流速v（m/h）N0(mg/L)K(L/(mg·h))H0(m)七、实验结果讨论1．间歇吸附与连续流吸附相比，吸附容量qe和N0是否相等？怎样通过实验求出N0值？2．通过本实验，你对活性炭吸附有什么结论性意见？对本实验进一步改进有什么建议实验七气浮实验一、概况气浮法是进行固液分离的一种方法。它常被用来分离密度小于或接近于“1”、难以用重力自然沉降法去除的悬浮颗粒。是一种很重要的水质净化单元过程。按产生气泡的方式6分溶气气浮、充气气浮、电解气浮等。在给水排水工程中气浮法常在以下几方面被运用：1固-液分离：污水中固体颗粒粒度很细小，颗粒本身及其形成的絮体密度接近或低于水，很难利用沉淀法实现固液分离的各种污水可用气浮法处理。2在给水方面，气浮法应用于高含藻水源、低温低浊水源、受污染水源和工业原料盐水等的净化。3液-液分离：从污水中分离回收石油、有机溶剂的微细油滴、表面活性剂及各种金属离子等。4用于要求获得比重力沉淀更高的水力负荷和固体负荷或用地受到限制的场合。5可有效地用于活性污泥浓缩。由于悬浮颗粒的性质和浓度、微气泡的数量和直径等多种因素都对气浮效率有影响，因此，气浮处理系统的设计运行参数常要通过试验确定。二、实验目的1．了解压力溶气气浮工艺的运行方式及原理，加深对基本概念的理解；2．掌握压力溶气气浮主要设计参数气固比的实验确定方法；三、实验原理压力溶气气浮法的工艺流程如图7-1所示，目前以部分回流式应用最广。加压溶气气浮法工艺主要由3部分组成，即加压溶气系统、溶气释放系统及气浮分离系统。见图7-1图7-1加压溶气气浮流程（部分回流式）1-吸水井2-加压泵3-空压机4-压力溶气罐5-减压释放阀6-浮上分液池7-原水进水管8-刮渣机9-集水系统10-填料层11-隔板进行气浮时，用水泵将水抽送到压力为2～4个大气压的溶气罐中，同时注入加压空气。空气在罐内溶解于加压的水中，然后使经过溶气的水通过减压阀进入气浮池，此时由于压力突然降低，溶解于水中的空气便以微气泡形式从水中释放出来。微细的气泡在上升的过程中附着于悬浮颗粒上，使颗粒密度减小，上浮到气浮池表面与液体分离。影响加压溶气气浮的因素很多，如空气在水中溶解量，气泡直径的大小，气浮时间、水质、药剂种类与加药量，表面活性物质种类、数量等。因此，采用气浮法进行水质处理时，常需通过实验测定一些有关的设计运行参数。由斯托克斯公式218dgV颗水可以知道，粘附于悬浮颗粒上气泡越多，颗粒与水的密度差（ρ水-ρ颗）就越大，悬浮颗粒的特征直径也越大，两者都使悬浮颗粒上浮速度增快，提高固液分离的效果。水中悬浮颗粒浓度越高，气浮时需要的微细气泡数量越多，通常以气固比表示单位重量悬浮颗粒需要的空气量。7气固比（Aa/S）是设计气浮系统时经常使用的一个基本参数，是溶解空气重量（Aa）与原水悬浮固体物重量（S）的比值，无量纲。定义为：气固比与操作压力、悬浮固体的浓度、性质有关。对活性污泥进行气浮时，气︰固＝0.005～0.06，变化范围较大。气固比可按下式计算：式中：SA—气固比（g释放的空