武理工水污染控制原理研究生教案第3章 活性炭吸附.docx

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1、第三章活性炭吸附（-）教学设计1.1 本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面吸附现象及吸附等温线静态吸附与动态吸附吸附柱设计及原理1.2 本章节重点本章节重点：活性炭的制备、结构及性能、吸附等温线及意义、吸附公式的应用、吸附柱的设计本章节难点：静态吸附与动态吸附传质差异、逆流吸附、有效容量、总吸附能力、有效容积及饱和百分数计算1.3 本章节教学内容本章教学内容如下3.活性炭吸附3-1活性炭的性能3-2吸附等温线3-3Langmuir公式的推导3-4吸附公式的应用3-5吸附柱的设计1.4 本章节教学方法1 .情景导入从吸附仿真（动态）过程入手。2 .双案例关联静态吸附在基础研究方面的应用（

2、案例五）动态吸附在工程设计方面的应用（案例六1、2）1.5本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的吸附剂及设备的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解吸附剂基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，要求并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，结合最后的理论课闭卷考试完成对课程教学的考核。(二)教学内容1 .活性炭制备、再生、结构与性

3、能2 .吸附等温线与应用3 .动静态吸附、吸附柱的设计第三章活性炭吸附3-1活性炭的性能1.活性炭的来源CxHyOzH2O+Cm2 .活性炭的制作活性炭的制作分碳化600以下，活化在800-90(C时，一般用蒸汽或二氧化碳为氧化剂；当氧化温度在600以下时，一般用空气做氧化剂。(b)活化后碳化及活化后的晶体片状结构示意见图3-1o(a)硬化后图31活性炭的微晶片结构示意图3 .活性炭的影响因素活性炭对于某一种物质的吸附能力与活性炭的原材料性质、碳化及活化的整个过程、吸附的环境因素以及再生操作过程都有密切的关系。4 .具体的吸附作用活性炭的吸附性能是由它的表面基团类型、比表面积和孔径的分布几个因

4、素决定的。3-2吸附等温线L如何画出等温线图3-2吸附试验图3-3活性炭的吸附过程2.吸附等温线的类型常见的吸附等温线有三种类型，每种类型对应于一种吸附公式，如图3-4所Zjo(1)第一种类型的等温线，P,没有极限值，但x/机却有一极限值*m),这种类型的吸附试验资料可用Langmuir公式处理。(2)第二类型的等温线，有一个极限值2，称为饱和浓度，但x/加却没有极限值。这种类型的等温线可用BranaUer和Emmett及Teller(简称BET)公式处理。(3)第三类型的等温线，4和M阳都没有极限值，可用FreUndIiCh公式处理。4,处理吸附等温线的公式(1)Langmuir公式为：X=

5、O(Mm)a,mT+bpfr式中，b为常数，以浓度”表示，其它符号同前(2) BET公式为：X=B(XjnifPem(A-)+(-1)-A式中，B为常量(3) FreUndliCh公式为:式中包括K1及n两个常量。Langmuir和BET公式都是理论公式，Freundlich公式则属于经验公式。Langmuir公式是根据吸附的物质只有一层分子厚的假设推导出来的。由于吸附剂的表面积是一定的，Langmuir公式中必然要出现一个吸附量的限值来，使这个公式可以整理I型吸附数据。BEF公式则从可以吸附多层物质的假定推导出来的，故吸附量没有极限值，平均浓度则以被吸附物质的饱和浓度为极限。这就符合了II型

6、吸附数据的规律。FreUndIiCh公式则能适应介乎上述两者间的吸附情况。3-3Langmuir公式的推导自学3-4吸附公式的应用L求吸附公式中的常数数据分析。2,逆流吸附CSTR、顺、逆流吸附概念3-5吸附柱的设计活性炭吸附柱设计不外下列三种类型：重力固定床、压力固定床以及硫化床,如图3-5所示。U)重力固定床(b)压力锡定床Cc)流化床图3-7吸附柱的类型1 求活性炭的容量传质系数MRr,二泣abp-pe2.303pc可以绘成如图38所示的直线，由直线的斜率可求出2.303pcka值来。2 .吸附柱的泄漏和衰耗过程允许的最高出水浓度4则称为吸附柱的泄漏浓度，所生产的总水量为匕，它相应的运行

7、时间称为吸附周期。当出水完全达到化的时间较长时，这时通过吸附柱的总水量为匕。出水浓度达到4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。出水浓度达到心时称为耗竭，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*图39吸附柱的泄漏和耗竭曲线由图3-9可以看出，面积。匕匕g则代表了吸附柱的总吸附能力。匕匕匕匕所代表的是有机物的能力。在吸附柱的运行过程中，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.达到柱底，并在耗竭时间。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已被去除到4所必须通过的最小

8、吸附柱厚度。OyKe)泄漏与耗竭曲线新羊活性炭口完全饱和活性炭 图饱和分数为/的柱高%”产水累计量运行时间(b”的定义图3-10泄漏耗竭曲线的物理涵义(b)吸附等温线及操作线由上面讨论，可知吸附带的总吸附能力为面积匕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%匕匕所代表的吸附能力。因此，可定义吸附带的分数容量/为面积匕匕=Cf厘米吸附柱的全部吸附能力J二面积匕匕匕S厘米吸附柱的全部吸附能力吸附柱的饱和百分数=J9ioo%Ij3 .吸附柱的设计建立吸附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th)起到它的吸附能力完全耗竭止(即到达耗竭时间，)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3-11。(a)柱底吸附带中的x/机分布曲线图3-11jolpi)yx-yb)5匕一匕l-vjFm闾jolpi)Vs)/及S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。