石家莊粉狀活性炭吸附法處理廢水概念及技術(shù) 活性炭是一種既傳統(tǒng)又現(xiàn)代的材料。隨著人類社會的不斷發(fā)展，活性炭己經(jīng)在食品、醫(yī)藥、化工、環(huán)保等諸多的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用;應(yīng)用數(shù)量也不斷遞增。近幾年來，全球?qū)钚蕴康氖褂昧磕昴暝鲩L。我國活性炭產(chǎn)量己經(jīng)居世界前列，但是我國生產(chǎn)的活性炭性能一般，性能優(yōu)良活性炭主要還是依靠進(jìn)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(yōu)質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)，利于形成發(fā)達(dá)微孔結(jié)構(gòu)，己經(jīng)得到越來越多的關(guān)注?；钚蕴恐苽浞椒ㄖ饕譃閮纱箢?化學(xué)活化法和物理活化法?；瘜W(xué)活化是通過化學(xué)試劑如KOH、Zncl2等與碳材料發(fā)生一系列的交聯(lián)或縮聚反應(yīng)，進(jìn)而創(chuàng)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(nèi)碳原子反應(yīng)。化學(xué)活化優(yōu)點是活化時間短、活化溫度低。但是，大量化學(xué)試劑的使用提高了制備成本，高溫下對設(shè)備有較強腐蝕作用，在洗滌過程中需要大量水，這些廢水經(jīng)過復(fù)雜處理工藝后才能達(dá)到環(huán)保排放要求。正是這一原因，目前，在工業(yè)上大多采用水蒸氣活化來制備活性炭。
活化物理優(yōu)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(dāng)催化劑可有效縮短活化時間，但是仍然難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)需要。
活性炭吸附法處理廢水的數(shù)學(xué)模型
內(nèi)容： 針對活性炭處理電鍍工業(yè)廢水的吸附過程,運用導(dǎo)數(shù)的實際意義建立了描述廢水的質(zhì)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(dá)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(dǎo)作用.
在電鍍工業(yè)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(jīng)處理直接排放,將嚴(yán)重污染人類賴以生存的環(huán)境.在處理電鍍工業(yè)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(rèn)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(xué)吸附、金屬離子在活性炭表面沉積而發(fā)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(xué)還原功能.在活性炭吸附法處理廢水的研究方面,自20世紀(jì)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(chǎn)上有較大規(guī)模的應(yīng)用,并取得了滿意的效果.但國內(nèi)外對活性炭吸附法處理廢水上建立數(shù)學(xué)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(yè)廢水的實驗數(shù)據(jù)分析,建立了活性炭處理電鍍工業(yè)廢水的數(shù)學(xué)模型,解決了活性炭吸附法處理電鍍工業(yè)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(dá)到吸附平衡時所需的時間及活性炭達(dá)到吸附平衡時廢水中金屬離子的去除率問題等.
1·實驗數(shù)據(jù)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(jié)果表明:當(dāng)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(jìn)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(diào)原水pH值為4,把相同質(zhì)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(jié)果如表1所示.
表1結(jié)果顯示:在初始階段,即廢水的質(zhì)量濃度較大時,活性炭的吸附速率較大.隨著吸附的進(jìn)行,廢水的質(zhì)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(yīng)了活性炭的變化規(guī)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(jìn)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(diào)遞減的函數(shù),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(guān)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(jīng)預(yù)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(diào)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(jìn)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(zhì)砷濃度的增加,溶液中單位體積內(nèi)的溶質(zhì)數(shù)也相應(yīng)增加,因而單位時間內(nèi)與活性炭接觸的溶質(zhì)分子數(shù)也增加,所以吸附率增大.
一般來說,廢水的質(zhì)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(zhì)量濃度變化較快.相反,廢水的質(zhì)量濃度變化較慢.所以,廢水的質(zhì)量濃度的變化率與廢水的質(zhì)量濃度及活性炭的表面積大小(可以用沒有發(fā)生吸附反應(yīng)的活性炭的量表示)有關(guān).
基于以上的分析,作如下假設(shè):
1)本模型假設(shè)活性炭的物理結(jié)構(gòu)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(dá)到了實驗要求.
2)在一定條件下,活性炭的投加量為Q0,發(fā)生吸附反應(yīng)的活性炭的量記為Q(t).
3)在一定條件下,廢水的質(zhì)量濃度記為P(t),且
4)在一定條件下,廢水的質(zhì)量濃度的相對變化率正比于廢水濃度P(t)和沒有進(jìn)行吸附反應(yīng)的活性炭的量Q0-Q(t).
2·活性炭吸附法處理廢水的數(shù)學(xué)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(zhì)量濃度的變化過程模型由假設(shè)4)知,在一定的條件下,廢水的質(zhì)量濃度相對變化率正比于廢水的質(zhì)量濃度P(t)和沒有進(jìn)行吸附反應(yīng)的活性炭的量Q0-Q(t),應(yīng)有
其中,b是比例系數(shù)大于零,負(fù)號表示廢水的質(zhì)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(jié)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(yù)處理后的活性炭五份分別放入已經(jīng)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(diào)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(jìn)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(dá)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(dāng)吸附時間為2·5h,吸附基本已達(dá)平衡,即便再增加吸附時間溶液中的砷濃度基本不發(fā)生變化.所以平衡時間可定為2·5h.
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