武理工水污染控制原理实验理论指导第3章 活性炭吸附理论对实验的指导.docx

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1、第三章活性炭吸附理论对实验的指导3.1理论总结动态吸附与静态吸附之间的逻辑基础。1、动态吸附求活性炭的容量传质系数活性炭的容量传质系数ka,一般通过用初始有机物浓度Pj的水样，每升加活性炭mg做吸附试验，由吸附试验可以得出下列物料衡算关系：在时刻I水样中有机物的减少速率=在时刻t活性炭吸附有机物的增加速率，即在一升水中-y=（p-pj-出Pc式中0C为活性炭的视密度，约为3OOgdm3,上式两边的具体单位分别为左边二腰S右边=4X些X-A_T=些sdmtngg/dms式-=履x（夕-金）x左边的夕按质量来解释，而右边的（22）则按浓度来diPc解释它实际表示活性炭的吸附速率为浓度（2-2，）的

2、一级反应。P-Pe代表了吸附的推动力，即其有效浓度，当夕=时，活性炭即不能再吸附。Ka的单位为mgs.dm30对式-四=总XS-）X二积分得出PcC=欣。P-Pe2.303g.式Ig以二星二C竺/可以绘成如图3-1所示的直线，由直线的斜率可求出ka值来。P-Pe2.303g.2、吸附柱的泄漏和衰耗过程如果将出水的有机物浓度与吸附柱的产水量与相应的运行时间的关系绘成曲线，则得图3-2的吸附过程曲线。图32中表示了出水有机物浓度从零开始逐渐增加的过程。当增加到允许的有机物出水最高浓度4（运行时间）时，吸附柱即停止运行，柱内的活性炭需经再生恢复活性炭后，才能重新使用。允许的最高出水浓度4则称为吸附柱

3、的泄漏浓度，所生产的总水量为匕，它相应的运行时间称为吸附周期。如果将已达到到4的吸附柱继续通过原水，出水的有机物浓度将迅速上升，以致很快接近进水浓度说明吸附柱的能力己经耗竭。当出水完全达到Pj的时间较长时，这时通过吸附柱的总水量为匕。出水浓度达到时称为泄漏，这时吸附柱所吸附有机物的总量称为吸附柱的有效容量，它代表了吸附柱的可能处理合格水的能力。出水浓度达到A时称为耗竭，这时吸附柱所吸附有机物质了代表了吸附柱所具有的总吸附能力。产水累计量尸入匕图3-2吸附柱的泄漏和耗竭曲线由图3-2可以看出，面积。匕g则代表了吸附柱的总吸附能力。匕匕乂匕所代表的是有机物的能力。图3-3也表明了在吸附柱的运行过程

4、中，有一个的吸附厚度从吸附开始逐渐从柱顶向下运动，在泄漏时间J达到柱底，并在耗竭时间4完全消失掉。这个厚度称为吸附带。吸附带代表了原水中有机物浓度从0被去除到金所必须通过的最小吸附柱厚度。OV嗫8）泄漏与耗竭曲线新衅活件炭固完全饱和活性发图饱和分数为/的柱高彳“产水累计量图33泄漏耗竭曲线的物理涵义由上面讨论，可知吸附带的总吸附能力为面积以匕匕以所代表的有机物，但当吸附带到达柱底后，它只具有面积匕匕匕所代表的吸附能力。因此，可定义吸附带的分数容量/为面积VYM_（/S）厘米吸附柱的全部吸附能力/=面积/匕匕以一十厘米吸附柱的全部吸附能力令A代表吸附柱的面积（单位为m2）,/V代表活性炭的视密度

5、（一般为3OOkgm3）,天代表平衡浓度为8时Ikg活性炭所吸附的有机物重量（kg）,则得吸附柱的有效吸附容量=XiPCA（L-f）上式表示面积。匕,匕g所代表的有机物总量（单位为kg）,同样得吸附柱的饱和百分数=LZXIo0%3、吸附柱的设计(b)吸附等温线及操作线建立吸附柱过程曲线与容量传质系数的关系主要是找出这一曲线的S形末端与容量传质系数间的关系。这一关系可以通过分析从吸附带厚度到达柱底(此时吸附柱到达吸附周期起到它的吸附能力完全耗竭止(即到达耗竭时间4)的吸附能力消失过程。吸附能力的消失也就是吸附带的消失。参看图34。(a)柱底吸附带中的x/6分布曲线图3d图3-4(a)表示吸附带刚

6、达到吸附柱底时(相当于运行恰好达吸附周期2)，其中活性炭吸附量x/m沿吸附带高度y的分布曲线，由底部(xm)z,值逐渐增大为顶部的(Xw)x,与运行时间，及心的出水浓度a及0相对应。如果把图中的y轴视作时间轴，则可看出这条分布曲线的形状与图3-2的吸附过程曲线的S末端完全相似，图32的面积ABC相当于图33的面积匕vt,代表了吸附带在时所剩余的吸附容量。在吸附带的各层活性炭中，它们的吸附能力是随着X/，的大小而变化的，值从上而下逐渐减小，各层的吸附能力也就从上而下逐渐增加。当单位面积流量(#g/min从时间4起不断通过吸附带时，各层活性炭的吸附量4/加值又不断增加，直到达最大值(xm)为止，相

7、应地代表剩余吸附容量的面积ABC不断缩小，以至在时间A时时为零，这时流出容积为匕-匕的水量。上述过程实际表现为x/机值的AC曲线从外起不断向下运动，最后在运行时间4到达吸附柱底，AC曲线从办起不断向下运动，最后在运行时间4到达吸附柱底，AC曲线运动了b的距离，曲线的C点与坐标轴的B点重合，吸附带也就消失。在图3-3(a)中，y轴的正向与“/机曲线运动的方向相反，因此吸附带的坐标)可以解释为曲线向下运动了距离y。在4-4时间，由y=0增加为y=5,相应地x/m曲线相应地了/机曲线下降了6距离。在运行时间t,假定曲线向下运动的距离为y,那么，就相当于原来x/机曲线坐标y处的部分与坐标轴OB重合，O

8、B轴以上只有坐标上面的部分，如图中虚线所示。此时活性炭的吸附量为(rm)v,剩余的吸附能力由(xM-(xm)v代表，出水的有机物浓度为。当时间增加小，y增加办时,相当于x/m曲线下降了距离dy,吸附量增加了d(xm),相应地水中有机物浓度减少由，。按物料衡算关系可知，在坐标)，处的增量力中所含的活性炭体积微元(dyXlXl)m3中所吸附的有机物量应与单位面积出水流量K,Agmin由于浓度降低40所去除的有机物相等，因此得从流量,#g/min中所去除的有机物量/m3=每分钟在活性炭容积办H?中所吸附的有机物量相等，因此得上式左边虽然等于En即，但右边的表达式不能直接得出，需要做一定的假定和推导。

9、先作出合理假定：m式中，PS为一常数，EHP的单位为(kgm2.min)X(kgkg)=kg(有机物)/m2.min；x/加的单位为kg/kg。上式表示了每公斤活性炭所吸附的有机物与每分钟每立方米所通过的有机物量成正比。FO式Ti=PS为一条通过原点的直线方程。又令0=8时，该直线通过吸附等温线的m(xm)a点,因此可求出PS值来，这一直线称为操作线，它和吸附等温线的关系，如图2-17(b)所示。从图中可看出，对同一吸附量x/m值，可以分别从等温线及操作线上得出平衡浓度Pe及浓度p,即在该x/m值时，存在浓度差(P-PP-P,即吸附的推动力，dym3容积微元中的有机物吸附量可仿照式-生=%x(

10、p-q)表示为ka(P-Pidy,小Pc因此得物料衡算方程为FmdP=斌P-PeMy按高度从O到y,浓度从必到P进行积分得当y=3时，p=px,代入上式得由式上两个式子得f。dpPbP-Pe计算y/b是为了求分数容量/的值。由式面积匕MK_(/一厘米吸附柱的全部吸附能力讲行数学转换得，一面积匕YM%一5厘米吸附柱的全部吸附能力7/二小一端口jolpjl-vj由图3J9(b)可以同时看出，当吸附层厚度由y增加6时，流出水量由VZ-匕增加为匕-匕,，两者间成正比，即bK-Vz,U口Ik-vj由式(3-2)及式(33)得ITpi)/及b已知后，就可以由式两个式子计算吸附柱的有效容积及饱和百分数。3.2动态吸附的理论指导（D动态吸附与静态吸附之间的差异，含吸附容量的差异；（2）图动态吸附的BV数值吸附柱体积，吸附穿透点，穿透条件下的吸附容量;