活性炭吸附实验报告

1/12《环工综合实验（1）》（活性炭吸附实验）实验报告专业环境工程（卓越班）班级姓名指导教师成绩东华大学环境科学与工程学院实验中心二0一六年11月2/12实验题目活性炭吸附实验实验类别综合实验室实验时间实验环境温度:湿度:同组人数2本实验报告由我独立完成，绝无抄袭！承诺人签名一、实验目的•通过实验加深理解活性炭吸附的基本原理•掌握用间歇式静态吸附法确定活性炭等温吸附式的方法二、实验仪器及设备振荡器；秒表；锥形瓶、分光光度计等。三、实验原理体系中化学和物理性质均匀且能采用常规方法分离的部分称为相。不相混溶的两相接触时形成的从一相到另一相的过渡区域称为界面。界面有固气、固液、固固、气液和液液界面五种。吸附是指在固相-气相、固相-液相、固相-固相、液相-气相、液相-液相等体系中，某一相的物质密度或溶于该相中的溶质浓度在界面上发生改变的现象。当它们在界面层中富集(即界面层中的浓度大于在体相中的浓度)时称为正吸附；反之，称为负吸附。大多数有实际应用价值的吸附作用是正吸附。吸附作用是一种界面现象。吸附作用一般为两种形式，即：物理吸附和化学吸附。物理吸附主要表现为吸附质与吸附剂之间通过物理性力(如：范德华力、氢键力等)相结合，具有吸附热小、速度快、无选择性、过程可逆放热以及吸附为单层/多层的特点，吸附过程受吸附质分子尺寸与吸附剂的孔结构控制(分子筛作用)；化学吸附实质是吸附质与吸附剂表面基团之间发生化学反应，以化学键力相结合，具有吸附热大、单层吸附与脱附困难等特点，吸附过程受吸附剂的表面化学特性、吸附质及溶剂的化学性质等因素影响。•在界面上已被吸附的物质或在体相中可以被吸附的物质统称为吸附质(adsorbate)，能有效地从气相或液相中吸附某些组分的固体物质称为吸附剂(adsorbent)，吸附剂具备的共同特点是：大的比表面、一定的表面结构和适宜的孔结构，对吸附质有强烈的选择性吸附能力，不与介质发生化学反应，制备工艺方便，易再生和有良好的力学强度等。•吸附剂对吸附质的吸附性能不仅与吸附质分子直径、吸附剂孔径大小相关，还与吸3/12附剂的比表面积、孔结构、及其表面化学性质等有关。吸附等温线（AdsorptionIsotherm）:指一定温度条件下吸附平衡时单位质量吸附剂的吸附量q与吸附质在流体相中的分压p（气相吸附）或浓度c（液相吸附）之间的关系曲线。水中苯酚在树脂上的吸附等温线水中苯酚在活性炭上的吸附等温线4/12吸附机理和吸附速率吸附机理：吸附质被吸附剂吸附的过程一般分为三步：（1）外扩散（2）内扩散（3）吸附①外扩散：吸附质从流体主体通过扩散传递到吸附剂颗粒的外表面。因为流体与固体接触时，在紧贴固体表面处有一层滞流膜，所以这一步的速率主要取决于吸附质以分子扩散通过这一滞流膜的传递速率。②内扩散：吸附质从吸附剂颗粒的外表面通过颗粒上微孔扩散进入颗粒内部，到达颗粒的内部表面。③吸附：吸附质被吸附剂吸附在内表面上。对于物理吸附，第三步通常是瞬间完成的，所以吸附过程的速率由前二步决定。•活性炭具有良好的吸附性能和化学稳定性，是目前国内外应用较广泛的一种非极性5/12的吸附剂。•由于活性炭为非极性分子，因而溶解度小的非极性物质容易被吸附，而不能使其自由能降低的污染物既溶解度大的极性物质不易被吸附。活性炭的吸附能力以吸附容量qe表示：•qe=X/M=V(Co-C)/M•在一定的温度条件下，当存在于溶液中的被吸附物质的浓度与固体表面的被吸附物质的浓度处于动态平衡时，吸附就达到平衡。1、吸附剂的比表面积越大，其吸附容量和吸附效果就越好吗？为什么？答：比表面积越大，不一定吸附容量就越好。吸附剂的比表面积越大，只能说明其吸附能力较大，并不代表吸附容量就越大。吸附容量的大小还与脱吸速度有关，如果脱吸速度很快，就算吸附能力再大，吸附容量也还是没多大提升。吸附容量是一个动态平衡的过程。吸附剂的良好吸附性能是由于它具有密集的细孔构造，与吸附有关的物理性能有：a.孔容（VP）：吸附剂中微孔的容积称为孔容，通常以单位重量吸附剂中吸附剂微孔的容积来表示(cm3/g)；b.比表面积：即单位重量吸附剂所具有的表面积，常用单位是m2/g；c.孔径与孔径分布：在吸附剂内，孔的形状极不规则，孔隙大小也各不相同。细孔愈多，则孔容愈大，6/12比表面也大，有利于吸附质的吸附。粗孔的作用是提供吸附质分子进入吸附剂的通路。吸附过程并不是吸附质被吸附固定在吸附剂上静止过程,而是一个始终在做频繁物质交换的动态过程。吸附质在吸附剂上有相同停留时间的条件下,吸附剂比表面积更大,甲醛分子与吸附剂接触的机会就更多,相应吸附量就越大。因此,提高吸附质停留时间并增加吸附剂比表面积是提升吸附效果的根本措施。但是吸附质进入吸附剂开孔的最小通过距离对于吸附性能是非常关键的控制因素,而吸附质最小通过距离则同吸附质分子直径直接相关。如果吸附剂开孔的孔径过小,吸附质最小通过距离大于吸附剂的开孔,则吸附质不能进入孔内,从而不能实现吸附；如果吸附剂开孔孔径过大,虽然吸附质可以进入孔内,但同时吸附质同时也可以容易的从孔中出来,吸附剂也无法很好的将吸附质富集在其孔内；因此，只有吸附剂开孔略大且并不过大于吸附质最小通过距离时,才能有很好的吸附效果。另外，表面极性对于是吸附剂的吸附性能非常重要,而且吸附剂表面的官能团可以使吸附剂具有选择吸附性。通常，吸附剂表面含氧官能团越丰富，吸附极性分子的效率越高。2、目前对吸附剂改性以增加吸附效果研究较多，请问，吸附剂改性的方法有哪些？为何改性后可以增加吸附效果？答：表面改性也称表面处理，是指为达到某种目的，任何使固体表面性质发生变化的各种措施。固体表面改性后，由于表面性质发生了变化，其它一系列性质（狭缝、湿润、分散）都将发生变化。通常的改性方法如下：（1）无机粉体、增强材料和复合材料的改性：用硅烷偶联剂处理；用钛酸酯等偶联剂处理；用表面活性剂覆盖处理；等离子体处理。（2）高聚物基体的改性：接枝改性；等离子体处理。比如：活性炭虽是非极性吸附剂，其表面含有相当多的含氧基团，若硅烷化处理使极性部位憎水化，对水的接触角增大，有利于自水溶液中吸附非极性有机物；反之，若氧化处理增加炭表面的含氧基团，使亲水性增强，则能提高自非水溶剂中吸附极性有机物能力。改性改变吸附效果机理：吸附作用一般为两种形式，即:物理吸附和化学吸附。物理吸附主要表现为吸附质与吸附剂之间通过物理性力(如:范德华力、氢键力等)相结合,具有吸附热小，速度快，无选择性，过程可逆放热，以及吸附为单层/多层的特点,吸附过程受吸附质分子尺寸与吸附剂的孔结构控制(分子筛作用)；化学吸附实质是吸附质与吸附剂表面基团之间发生化学反应，以化学键力相结合，具有吸附热大，单层吸附与脱附困难等特点，吸附过7/12程受吸附剂的表面化学特性，吸附质及溶剂的化学性质等因素影响。吸附剂改性就是通过物理化学方法改变吸附剂与吸附质之间的物理性力和化学键力，从而影响吸附效果。四、实验步骤•1．绘制标准曲线（1）配制50mg/L活性艳蓝溶液。（2）用紫外可见分光光度计对样品在500-750nm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662-667nm。（3）测定标准曲线（活性艳蓝浓度0-20mg/L时，浓度C与吸光度A成正比）。分别移取0mL,1mL,2mL，4mL，8mL，16mL，32mL的50mg/L活性艳蓝溶液于100mL比色管中，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．吸附等温线间歇式吸附实验步骤（1)将活性炭放在蒸馏水中浸24h，然后放在105℃烘箱内烘至恒重，再将烘干后的活性炭压碎，使其成为200目以下筛孔的粉状炭。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）在锥形瓶中，装入30mg的已准备好的粉状活性炭。（3）在锥形瓶中各注入100mL水，然后按下列体积加入浓度为50mg/L的直接蓝溶液：0mL，12mL，24mL，36mL，48mL，60mL，90mL，120mL。（4）将锥形瓶置于振荡器上振荡30min，然后用离心法移除活性炭，取上清液测吸光度。（5）计算各个锥形瓶中分散蓝的去除率、吸附量。并确定弗兰德里希常数•实验注意事项：从离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、实验记录及原始数据由于实验所用比色管为50ml，而实验步骤中的比色管为100ml，因此所有浓度都要×2。8/12标准曲线1浓度（mg/L）吸光度（Abs）标准曲线方程/线性相关系数0010.00720.01340.02780.048160.096320.176当前温度：19.6℃粉末活性炭间歇吸附试验记录直接蓝加入量（mL）浓度（mg/L）吸光度(Abs)剩余浓度（mg/L）吸附容量（mg/g）0000/125.3570.0050.3820.00557249.6770.0182.7450.008603613.2350.0284.5640.01184816.2160.0539.1090.01056018.7500.0203.1090.02509023.6840.0304.9270.035612027.2730.0508.5640.0412标准曲线2浓度（mg/L）吸光度（Abs）标准曲线方程/线性相关系数0010.00320.0109/1240.02180.043160.101320.158当前温度：19.6℃颗粒活性炭间歇吸附试验记录直接蓝加入量（mL）浓度（mg/L）吸光度（Abs）剩余浓度（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、数据处理及结论粉末活性炭间歇吸附曲线由于曲线有不符合实验结果的数据存在，需要取舍，因此选择12mL、24mL、36mL的数据来做吸附容量曲线。10/12由y=0.8168x-2.8551可得：lgK=-2.85511/n=0.8168K=0.058n=1.22颗粒活性炭间歇吸附曲线由于计算出来的吸附容量有负数，因此选择12mL、24mL、36mL的数据来做吸附容量曲线。由y=0.9712x-3.7611可得，lgK=-3.76111/n=0.9712K=0.023n=1.03由以上两个实验曲线可以发现，吸光度的变动有点幅度，并出现吸附容量有负数的情况，实验误差偏大，因此纵观整个实验过程，可能因为离心的时间不够长，或者离心的过程中晃动太大，有影响到实验的结果，也有可能是机器的原因，仪器误差。另外在测吸光度的时候，可能因为动作幅度太大，使得离心过后的活性炭又有上浮的趋势，人员误差和操作误差导致实验结果有误差。11/12七、思考题•1.工业上常用的吸附剂有哪些？应用上有什么区别。答：目前最常应用的吸附剂有:1)碳质为基本成分的吸附剂，如活性炭、活性碳纤维、炭黑、碳分子筛等；2)多孔金属和非金属氧化物吸附剂，如:硅胶、氧化铝、沸石分子筛等；3)树脂吸附剂，如:非极性、弱极性和极性吸附树脂等。应用上的区别举例如下：1.硅胶：硅胶是一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，分子式为SiO2.nH2O，为一种亲水性的极性吸附剂。工业上用的硅胶分成粗孔和细孔两种。粗孔硅胶在相对湿度饱和的条件下，吸附量可达吸附剂重量的８０％以上，而在低湿度条件下，吸附量大大低于细孔硅胶。硅胶对水有较强的亲和力，是一种对微量水深度干燥用的吸附剂。2.活性炭、活性碳纤维（ACF）：活性炭是将木炭、果壳、煤等含碳原料经炭化、活化后制成的。活性炭含有很多毛细孔构造所以具有优异的吸附能力。因而它用途遍及水处理、脱色、气体吸附等各个方面