Fenton试剂再生活性炭的研究（可编辑）.doc

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1、 学校代号10532学 号S10031052分 类 号 密 级硕士 学位 论文Fenton 试剂 再生 活性 炭的 研究学位申请人姓 名 李小豹 培 养 单 位环境科学与工程学院导师姓名及职称 杨春平 教授学 科 专 业环境工 程 研 究 方 向废水处理及 资源化 研究论文提交日 期 2013 年 5 月 15 日学校代号 :10532 学 号 :S10031052 密 级 : 湖南大学硕士学位论文Fenton 试剂 再生 活性 炭的 研究学位申请人姓 名 : 李小豹 导师姓名及职 称 : 杨春平 教授 培养单 位 : 环境科学与工程学院专业名 称 : 环境工程 论文提交日 期 : 2013

2、年 5 月 15 日论文答辩日 期 : 2013 年 5 月 30 日 答辩委员会主 席 : 李彩亭Regeneration of activated carbon using Fenton reagentbyLi Xiaobao B.E. Nanchang Hangkong University 2009 A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Science in Environmental Engineering in the Graduate S

3、chool of Hunan UniversitySupervisor ProfessorMay , 2013湖 南 大 学 学位论文原创性声明 本 人 郑 重 声明 : 所 呈 交 的 论 文是 本 人 在 导 师 的 指 导下 独立 进 行 研 究 所 取得 的 研 究 成 果。除 了 文 中 特 别 加 以 标 注 引 用 的内 容 外 ,本 论 文 不 包 含 任 何 其他 个 人 或 集 体已 经发 表 或 撰 写 的 成 果 作 品。 对 本 文的 研 究 做 出 重 要 贡 献 的 个人 和 集 体 ,均 已 在 文 中 以 明 确 方 式 标 明 。本 人 完 全意 识 到 本

4、 声 明 的 法 律 后 果由本 人承 担。 作者 签名 :日期 : 年月日学位论文版权使用授权书 本 学 位 论文 作 者 完 全 了 解 学校 有 关 保 留 、 使 用学 位 论 文 的 规 定 ,同 意 学校保 留并 向国 家有 关部 门 或 机 构 送 交论 文 的 复 印 件 和 电 子 版 , 允 许 论 文被 查阅 和 借 阅 。 本 人 授 权 湖 南 大 学 可 以 将 本 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入有 关数 据 库 进 行 检 索 ,可 以 采 用 影 印 、缩 印 或 扫 描 等 复 制 手 段 保 存 和 汇 编 本学 位论文 。 本学 位

5、论 文属 于 1 、保密 ,在_ 年解密 后适 用本 授权 书。 2 、不保 密 。 (请 在以 上相 应方 框内 打“” ) 作者 签名 : 日期 : 年月日 导师 签名 : 日期 : 年月 IFenton 试剂再生活性炭的研究 摘要 活性炭 吸附 法 是 水 处理中 常 用的 一种 方法 , 但是 吸附饱 和的活性 炭不经 处理即 行废弃,既浪费资源,又产生二次污染。因此,不论是从经济还是环境保护角度考虑,再生活性炭都是很有必要的。传统的活性炭再生工艺具有再生效率低、操作不便、 能耗高等弊端, 故开发 再生 活性炭的新工艺已成为环保领域亟待解决 的问题。 采用 Fenton 试剂 再生吸附

6、有机物后的活性炭的实验研究, 不仅可为 Fenton试剂 再生活性炭技术的进一步研究提供基础数据,而且可望为活性炭的再生工艺开辟新途径。 本文主要对 Fenton 试剂 再生活性炭的效果进行了详细研究,考察了再生过程2+中 H O 与 Fe 的摩尔配比及投加量、pH 值、再生温度、再生 时间等因素对活性2 2炭再生效率的影响 。 正交实验表明 , 影响再生效果的主要因素的主次顺序是 :H O2 22+投加量、再生时间、pH 值、Fe 和 H O 的 摩尔比;通过大量单因素实验和正交实2 22+验得出再生 1.0 g 废活性炭最优条件为: 芬顿 体系中 Fe 和 H O 的摩尔配比 为2 21:

7、20 , H O 投加量为 120 mmol/L , pH 值为 3 , 再生温度为 25 , 再生时间为 70 min ,2 2首次再生效率可达 85.6% , 相同条件下, 六次连续再生的平均效率仍能达到 84.9% ,但再生过程中,随着铁元素在碳表面的积累,活性炭的吸附能力和再生效率均呈下降趋 势。同时分析了经多次再生后,活性炭表面性质的变化,通过 SEM 扫描电镜、EDX 表面元素分析、BET 比表 面分析仪研究结果表明,发现 Fenton 试剂 使活性炭表面变得粗糙,并出现了细小的裂纹,平均孔径减小,比表面积及孔容积有较大程度的下降,且再生过程对活性炭表面组分有较大的改变,主要表现在

8、炭元素的减少和铁元素的增加。 综合研究表明,Fenton 试剂 再生活性炭的方法表现出较高的经济和环境效益。 关键词: 活性炭; 芬顿 试剂 ;再生; 有机废水 II硕士学位论文 Abstract Activated carbon adsorption is a popular process in wastewater treatment, but it results not only the resource waste ,but also the secondary pollution that the saturation activated carbon without any t

9、reatment are abandoned. Therefore, the regeneration of the saturation activated carbon is an inevitable tendency in activated carbon industrybecause of the traditional techniques of regeneration activated carbon had some shortages, including infexible manipulation, lower regenation efficiency and hi

10、gh energy cost, the development of new technology of regenerating activated carbon has become urgent to solve in the field of environmental protection. Experimental study on the regeneration of activated carbon adsorpting organic matters by Fenton reagent, which can provide not only the basic dates

11、for further research of regenaration of activated carbon by Fenton reagent, but also a new method to regenaration of activated carbonThe regeneration of activated carbon which adsorbed diisopropyl benzene and other organic matters from organic wastewater using Fenton reagent was investigated 2+at va

12、rious H O dosage, Fe / H O mole ratio, pH, temperature and regeneration 2 2 2 2time. After a large number of single factor experimmts and orthogonal experiment ,obtained the optimal operating conditions for the regeneration of activated carbon were 2+120 mmol/L H O , nFe / nH O of 1: 20, pH of 3, te

13、mperature of 25 and 2 2 2 2regeneration time of 70 min. Under this condition, the regeneration rate achieved its peak of 85.6% and average regeneration rate could still achieve 84.9% after six full cycles. But after repeated regeneration processes of activated carbon , excessive accumulation of Fe o

14、n the activated carbon resulted in the consequent interference with phenol sorption capacity and regeneration rate of activated carbon. At the same time, analyzed the several times of regeneration, the changes of the surface properties of activated carbon. The scanning electron microscopeSEMand the

15、BET surface area for activated carbon had been analyzed and the results showed that Fenton reagent let the surface of activated carbon rough and formed a clear crack , the average pore size decreased , the surface area and totle pore volume increased ,the regeneration process had a great impact on a

16、ctivated carbon surface, component, mainly in the content of element C decreased slightly while the element Fe decreasedThe results showed that, Fenton reagent processed an economic and IIIFenton 试剂再生活性炭的研究 environmental way for the regeneration of activated carbon Key words: granular activated carb

17、on; Fenton reagent; organic wastewater; regenerationIV硕士学位论文 目 录 学位论文原创性声明 I 摘要II Abstract III 目 录. V 插 图索引VIII 附表索引. IX 第 1 章 绪论. 1 1.1 活性炭概述1 1.1.1 活性炭表面化学性质. 1 1.1.2 活性炭孔分布结构3 1.1.3 活性炭的分类 5 1.2 活性炭的吸附理论6 1.3 活性炭的应用. 7 1.4 活性炭再生的必要性9 1.5 活性炭再生的国内外研究进展10 1.5.1 热再生法 11 1.5.3 电化学再生法. 13 1.5.4 湿式氧化再生

18、法 13 1.5.5 催化湿式氧化再生 14 1.5.6 超临界流体再生法 14 1.5.7 超声波再生法. 15 1.5.8 微波辐射再生法 15 1.5.9 溶剂再生法 16 1.5.10 光催化再生法 16 第 2 章 研究背景、理论基础及内容 18 2.1 研究背景. 18 2.2 Fenton 试剂原理及应用18 2.2.1 Fenton 试剂技术的发展18 2.2.2 Fenton 反应的原理 19 2.2.3 Fenton 试剂再生活性炭技术研究现状 20 2.2.5 Fenton 试剂再生活性炭法的优点. 20 2.3 研究目的和研究内容 21 2.3.1 研究目的 21 VF

19、enton 试剂再生活性炭的研究 2.3.2 研究内容 21 第 3 章 实验材料、方法和分析测试项目22 3.1 实验内容. 22 3.1.1 实验用活性炭. 22 3.1.2 活性炭预处理. 22 3.1.3 废水来源及水质 22 3.1.4 吸附实验 23 3.1.5 再生实验 23 3.1.6 多次吸附再生实验. 23 3.1.7 实验 流程 23 3.2 实验仪器与试剂. 24 3.2.1 实验试剂 24 3.2.2 实验仪器 24 3.3.1 pH 值 测定25 3.3.2 化学需氧量(COD )测定. 25 3.3.3 活性炭再生效率测定26 3.3.4 活性炭的表征. 26 3

20、.4 活性炭再生效率的评价方法 27 第 4 章 Fenton 试剂再生活性炭的实验研究. 28 4.1 最佳操作条件的确定 28 4.1.1 吸附实验 28 4.1.2 pH 值对再生效率的影响 29 2+4.1.3 Fe 和 H O 摩尔配比对再生效率的影响 29 2 24.1.4 H O 投加量对再生效率的影响. 30 2 24.1.5 再生时间对再生效率的影响31 4.1.6 再生温度对再生效率的影响32 4.2 正交实验33 4.2.1 正交实验目的. 33 4.2.2 实验因素及水平的选择33 4.2.3 正交实验结果及分析33 4.3 再生次数对再生效率的影响 34 4.4 本章

21、小节. 35 第 5 章 再生过程对活性炭性质的影响研究. 36 5.1 活性炭表面组成成分的变化 36 5.2 再生过程对活性炭 孔容积 和 比表面积 的影响 36 VI硕士学位论文 5.3 活性炭表面结构的变化37 5.4 本章小节. 38 结 论 和 展 望 39 结论 39 展望 40 参考文献41 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录 49 致 谢 50 VIIFenton 试剂再生活性炭的研究 插 图索引 图 1.1 活性炭表面的含氧 官能团2 图 1.2 活性炭表面的含氮官能团3 图 1.3 微晶石墨结构中可能存在的微孔模型示意图. 4 图 1.4 活性炭再生方法 11 图

22、 4.1 吸附时间对活性炭吸附 COD 的影响. 28 图 4.2 pH 值对再生效率的影响29 2+图 4.3 nFe /nH O 对再生效率的影响30 2 2图 4.4 H O 投 加量对再生效率的影响 31 2 2图 4.5 再生时间对再生效率的影响32 图 4.6 再生温度对再生效率的影响32 图 4.7 活性炭连续再生的再生效率35 图 5.1 再生过程对活性炭表面结构的影响 37 VIII硕士学位论文 附表索引表 1.1 不同使用场合的活性炭分类. 5 表 1.2 不同原料的市售活性炭分类. 5 表 1.3 不同制造方法的活性炭分类. 6 表 1.4 不同外观形状市售的活性炭分类6

23、 表 1.5 物理吸附与化学吸附的比较. 7 表 2.1 常见氧化剂的标准电极电位19 表 3.1 新鲜活性炭的性质表征. 22 表 3.2 实验试剂 24 表 3.3 实验仪器 24 表 3.4 活性炭的表征手段27 表 4.1 Fenton 试剂再生活性炭正交试验因素水平表 33 表 4.2 正交实验结果34 表 5.1 活性炭 EDS 测试结果. 36 表 5.2 活性炭 BET 测试结果. 37 IX硕士学位论文 第 1 章 绪论 1.1 活性炭概述 活性炭,又叫碳分子筛或者活性炭黑,是二维有序石墨微晶区 ( 宽度为 2.05 nm , 厚度为 0.71.1 nm ) 的层状石墨晶体和

24、不规则交联碳六角形空间晶格的无定1形结构 。 活性炭是利用植物原料、 煤和其它含碳工业废料作原料, 通过物理和化学方法对原 料进行破碎、过筛、催化剂活化和筛选等一系列工序加工制造而成的2疏水非极性吸附剂 。 活性炭基本上是非晶体性物质, 它 由微细的石墨状结晶和将它们联系在一起的碳氢化合物部分构成,其固体部分之间的间隙形成孔隙,赋予3活性炭所特有的吸附性能 。 活性炭无 毒无味, 具有发达 的孔隙结 构和巨大 的比表面 积而拥有 极强的 吸附能力,同时其性质稳定,不溶于水及有机溶剂,耐酸、碱、高温和高压的作用,力学强度高,可再生,表面含有丰富的官能团等优点,因此,被广泛运用于医药卫生、化工制药

25、、溶剂回收、气体净化、糖脱色、水处理等领域。 1.1.1 活性炭表面 化学性质 活性炭除含 C 外,还有少量的非 C 元素,如 O 、H 、N 、S 等 非 金属和金属元素。活性炭为非极性吸附剂,故对非极性的物质及长链的有机物都有很好的吸附能力。但是,随着生产过程已经使用环境的不同,炭材料表面表面性质会发生变化。 在活性炭 制备的活 化过程反 应中,微 孔逐渐扩 大成很多 大小各异 的孔隙 ,一部分孔隙表面会被烧掉,导致这部分孔隙的化学结构产生缺陷和不完整,另外,由于存在灰分和各种杂原子,导致活性炭的基本结构出现缺陷及不饱和价,使边缘和层面上的炭和吸附于这些缺陷上的氧及杂原子反应生成各种化学键

26、,最终 导致各种表面功能团的形成,由此导致活性炭形成了多种多样的吸附特性。其中含4-5氮官能团和含氧官能团是影响活性炭吸附性最重要的两种化学基 。 图 1.1 所示为八种可能存在于活性炭表面的含氧官能团。并排的羧基 (a ) 之间可能会脱水而生成酸酐 (b ) ;羰基若与羰基或羧基相邻,可能就会生成内酯 基或芳醇基; “芳香”层边缘单独存在的醌基 (g ) 具有酚的某些特性;边缘的碳 原子可能会被氧原子简单地替换而形成醚基 (h ) 。通过与重氮甲烷发生交换化反应,与甲醇发生酯化反应和其他反应, 这些官能团的化学结构已被准确地测定出来了 。羧基 (a ) 、酸 酐 (b ) ,内 酯基 (c

27、) ,芳醇 基 (d ) ,羟 基 (e ) ,均 表现出 相异 的酸性。通常来说,含氧量越高的活性炭,其酸性也更强。活性炭因具有酸性表面基1Fenton 试剂再生活性炭的研究 团而表现出阳离子交换特性,相对来说,氧含量低的活性炭表面则会表现出碱性特性,由此也表现出阴离子交换特性。a 羧基b 酸酐 c 内酯基d 芳醇基e 羟基f 羰基g 醌基 h 醚基 图1.1 活性炭表面的含氧 官能团 除了含氧 官能团外 ,含氮官 能团也会 很显著地 影响活性 炭的性能 。活性 炭的制取方式决定了活性炭表面的含氮官能团的特性。活性炭表面的氮原子有两种引入方式,分别是通过含氮试剂与活性炭发生反应和以含氮的材料

28、为原料制备活性炭。活性炭表面可能存在的几种含氮官能团如图 1.2 所示: 2硕士学位论文a b c d 图1.2 活性炭表面的含氮官能团 炭材料表面易被氧气、水等氧化剂氧化,从而或多或少地生成了表面官能团,这些官能团的生成会使炭材料的界面化学性质产生多样性。各国有机化学的方法可以测定炭材料中的官能团。一般认为,炭材料的官能团主要有羧基、内酯型羧6基、酚 羟 基和羰 基 , 由于表 面 存在化 学 官能团 、 表面杂 原 子以及 化 合物, 这 些 决定了活性炭的表面化学性质,而表面化学性质对于活性炭的吸附性能起到很重要7的作用。由 于这些含氧基团的存在,活性炭对某些极性物质也有吸附能力 。 活

29、性炭中碳含量约占 90% ,正是如此高的碳含量,使得活性炭成为重要的 疏水性吸附剂,另外,活性炭中氧元素的含量约占百分之几,存在于灰分或者以表面氧化物的形态存在于炭表面,由于这部分氧的存在使得活性炭区别于石墨那样8完全疏水性的物质, 而略微有点亲水性 。 活性炭用作水处理吸附剂时, 与水的亲和性尤为重要,若疏水性太强,则很难用水置换孔隙内的空气,也就丧失了吸附溶解在水中的污染物的功能。 1.1.2 活性炭孔分 布结构 活性炭具 有丰富的 孔隙是由 于在制备 活性 炭的 活化过程 中,各种 含碳化 合物和无序炭(有时除去的部分炭来自于基本微晶的石墨层中)产生的孔隙被无定形炭的基本微晶之间所清除而

30、形成的。由于生产活性炭的材料、炭化过程和活化的所采用的方法等不同,所以生产出来的活性炭的孔隙形状、孔径大小和孔隙分布等也存在一定的差异。 活性炭的孔径分布很广,根据国际纯化学与应用化学联合会IUPAC 的分类,9活性炭的孔分为微孔 (r2 nm ) ,中 孔 (2 nmr50 nm )和大孔 (r50 nm ) 。不3Fenton 试剂再生活性炭的研究 同孔径的孔在活性炭的使用当中发挥不同的作用。 微孔有着与被吸附物质的分子有 着同一量级的有效半径 (小于 2 nm) , 是活性炭最重要孔隙结构,由于活性炭吸附性能以物理吸附为主,其吸附性能与比表面积、径分布以及孔体积有很大的关系,而微孔大约占

31、活性炭 95 %以上的表面积 ,因此微孔是衡量活性炭吸附性能高低的重要因素。微孔内表面因为相对避免吸附力场重叠,致使它与非孔型炭表面之间出现本质差异,因此影响其吸附机制。 中孔又称 作过渡孔 、介孔, 指蒸汽能 在其中发 生毛细血 管凝缩而 使吸附 等温线出现滞后回线的孔隙。中孔的尺寸相对大孔小很多,尽管其内表面与非孔型炭表面之间也无本质的差异,但由于其表面积已占一定的比 例(约占活性炭总表面积的 5 %) ,所以对其吸附量存在一定的影响。但在一般情况下,它主要起粗、 细吸附通道的作用。不仅可为吸附质提供转移到微孔的路径,还能直接吸附大分子吸附质。它决定着吸附质的分子运动是否通畅,对吸附速度影

32、响较大。 2大孔又称粗孔,其孔容积通常约为 0.20.5 mL/g ,表面积约 0.52 m /g ,其 作用有二 , 一是使吸附质分子迅速进入活性炭内部中孔或者小孔中去;二是当作为催化剂载体时,催化剂常大都沉淀在大孔和中孔之中,仅有少量沉淀在微孔内。 孔隙结构 和孔隙形 状对活性 炭的吸附 性能都有 较大影响 ,微孔 碳 结构中 一般10存在的三种孔隙:开孔型、半闭孔型和间充笼型, 如图 1.3 所示 。碳因具有的 特殊结构,使得炭质吸附剂的孔隙表现出狭缝型的特征,相对其他类型吸附剂,炭质吸附剂有明显的优点:例如苯分子(一种片状分子)不能被 0.4 nm(孔隙尺寸)的沸石所吸附但却可以被 0

33、.4 nm (孔隙尺寸) 的炭分子筛 (Carbon Molecular Sieeve ,CMS ) 吸附 ;炭 分子 筛可 不吸 附异 丁烷 或环 己烷 (这 两种 船形 或椅 形分 子将不 能进入狭缝型孔隙)而优先吸附扁平的苯分子。图1.3 微晶石墨结构中可能存在的微孔模型示意图 11按照孔隙直径和分子尺度之间的关系,可以划分成四种主要的吸附状态 : 4硕士学位论文 (1 ) 微孔 直径 分 子尺 度时,因 为分子筛 的作用, 分子不能 进入孔隙 ,所以无吸附作用。 (2 )微孔直径分子尺度时,微孔直径与分子直径相当,吸附剂极易捕捉 吸附分子,这种状态适用于低浓度下的活性炭吸附。 (3 )

34、 微孔 直径 分 子尺 度时,吸 附质分子 在微孔内 产生毛细 凝聚现象 ,此状态下吸附量很大。 (4 )微孔直径 分子尺度时,被活性炭吸附的分子极易脱附,且脱附速度很快,但低浓度的时候吸附量较小。 应当知道 的是,活 性炭的微 孔孔径和 吸附质分 子分子直 径存 在一 定的尺 寸效应,也就是说只有当吸附质分子能进入并填充的孔隙才是有效孔隙。一般来说,当活性炭孔径与吸附质分子的直径大小比为 1.73 时 , 活性炭的孔隙利用率达到最12大值,若是需要反复再生,这一比值则需更高 。 1.1.3 活性炭的分 类 根据活性 炭的外观 形状、制 造方法、 孔径大小 以及用途 功能的不 同,可 以分为不

35、同种类。依据原料可以分为木质活性炭、煤质活性炭、石油焦活性炭和树脂活性炭;依据形态来看,可以分为颗粒和粉末活性炭,其中颗粒活性炭又可分为无定形活性炭和定形活性炭两大类;依据生产方法来划分,又可分为化学法活 性炭、物理法活性炭和物理化学法活性炭;根据使用功能的不用,又可分为气体吸附、催化性能、液体吸附活性炭等。具体分类和主要用途见表 1.11.4 。 表 1.1 不同使用场合的活性炭分类 种 类 使用场所及用途 处理 排气 、 空气 净 化、 回收 有机溶剂、 脱 臭、 工艺气体的精制 、气相用活性炭 分离 气体 、脱硫脱硝、半导体用气体的精制、调香、气相色谱的充填剂、气体分析捕集剂、保鲜、 臭

36、氧 去除 等 处理 高度净化水 、处理 超纯水、处理 工厂排水、脱色精制、异液相用活性炭 味 去除、净化血液、游离氯 去除 、回收黄金、用于解毒等 触媒用活性炭 触媒、触媒载体、用于一次性怀炉等表 1.2 不同原料的市售活性炭分类 种 类 原料 木质活性炭 以 木炭 、木屑 等 原料 制成的活性炭 果壳活性炭 以 杏核壳 、核桃壳、椰子壳 等 原料 制成的活性炭 煤质活性炭 以 无烟煤 、 褐煤、 烟煤、 泥煤 等 原料 制成的活性炭 再生炭 以用过的废炭为原料,进行再活化处理的再生活性炭5Fenton 试剂再生活性炭的研究 表 1.3 不同制造方法的活性炭分类 种 类 制孔活化剂 化学药品活

37、化法活性炭 氯化锌、磷酸、强氧化钾等化学药品 强碱活化法活性炭 强氧化钾、氢氧化钠等 气体活化法活性炭 水蒸气、二氧 化碳、烟道气和空气等 水蒸气活化法活性炭 水蒸气 物理化学法 化学药品与气体先后或者同时组合使用表 1.4 不同外观形状市售的活性炭分类 种类 特 征 外观尺寸小于0.18 nm 的粒子(约80 目)占多数的活性炭。 包括 以粉末活性炭 木屑为原料 加工 生产的粉末活性炭外 和 粉化 颗粒活性炭的产物等 颗粒活性炭 外观尺寸大于0.18 nm 的的粒子(约80 目)占多数的活性炭。从形状上分为 中空微球 形 状 、 破碎状、 球 形 状、 圆柱体状 等几种 破碎状炭 煤质活性炭

38、 、椰壳活性炭类 活性炭外表面因破碎而有棱角 球 形状炭 将碳化物做成球形以后再活化及球形树脂为原料生产的活性炭两种 中空微球状炭 大多以树脂为原料,有时直径在50 um 以下,使用时生成的粉末少 纤维状活性炭 以纤维状的原料制成的纤维直径810 um 的活性炭。有丝状、布状 、毡状几种 蜂巢状活性炭 挤压成型为蜂巢状的活性炭 活性炭成型物 有将活性炭粉末附着在纸、无纺布或海绵之类的基材上的产品, 以及将活性炭单独地或者与其他材料一起复合加工成各种各样形状 的成型物 1.2 活性炭的吸附理论 吸附是发 生在两相 存在的情 况下,当 有两相存 在时,相 中的物质 或者是 在该相中所溶解的溶质,在

39、相与相的界面附近就会出现浓度与相内部不一样的现象。被吸附的物质成为吸附质,吸附的物质称为吸附剂。由于具有丰富的比表面积和孔隙结构,所以活性炭常用做吸附剂。 要产生吸 附作用, 必然会有 吸附作用 力的存在 。吸附作 用力是指 吸附剂 与吸附质之间在能量方面的相互作用,承担这种相互作用的是电子。在发生吸附时,随着吸附剂表面和吸附质分子中性质的不同,其相互作用的组合状况也不同。吸6硕士学位论文 附过程相互作用力分为五类:伦敦分散力相互作用、偶极子相互作用、氢键、静电引力和共价键。 根据吸附 剂和吸附 质之间的 相互作用 力的不 同 吸附可以 分为物理 吸附和 化学吸附。从机理上讲,物理吸附是由范德

40、华力即分子间作用力所引起的吸附,活性炭吸附剂和气体或者液体吸附质普遍存在着分子间引力,这种吸附的速度快。物理吸附不发生化学反应,是由分子引作用力产生,当吸附质的分压升高时,可以产生多分子层吸附,所以加压吸附将会增加吸附容量,而真空则有利于吸附气体的脱附。 在制造过 程中,活 性炭表面 能生成一 些官能团 ,所以活 性炭也能 进行化 学吸附。 化学吸附是伴随着电荷移动相互作用或者生成化学键力的吸附 ,使吸附质与吸附剂紧紧地联系在一起,化学吸附是放热过程。化学反应需要较 大的活化能,因此此过程一般在高温下进行,吸附热相对较大。吸附热在 41.8418 kJ/mol 范围内的化学吸附为选择性吸附,即

41、某种吸附剂只对一种或某几种吸附质产生吸附作用, 故 化学吸附是单分子层吸附,吸附是 相对 稳定的, 吸附剂 不易 被 解吸 出来 。化学吸附的作用力远远超过物理吸附的范德华力。在物理吸附中,吸附质与吸附媒体表面层不发生电子轨道的重叠;相反地,电子轨道的重叠对于化学吸附起着至关重要的作用,也就是说,在物理吸附中,基本上是通过吸附质与吸附媒介表面原子间的微弱相互作用而发生的;而化学吸附则是通过吸附剂表面的电 子轨道与吸附质的分子轨道的特异性相互作用而发生的。所以,化学吸附中往往发生单分子层吸附,而物理吸附则是多分子层吸附。而且,化学吸附常发生分子结合状态的变化,同时化学吸附还会引起电子状态产生显著

42、的变化。通过傅立叶变换红外光谱可以观察到吸附质在吸附前后发生了明显的变化,而物理吸附则没有这种变化 , 物理吸附与化学吸附的区别如表 1.5 所示 。 表 1.5 物理吸附与化学吸附的比较 项 目 物理吸附 化学吸附 吸附力 范德华力 化学键力 特异 化学键 无 有 吸附质 无选择性 有选择性 温度 低温 高温 吸附热 小 大 吸附量 单分子层吸附量 之 上 单分子层吸附量 之 下 吸附速度 快 慢 可逆性 有可逆性 存在 不可逆的 状况 对于吸附 现象的评 价,物理 吸附不是 由于吸附 质与吸附 媒介表面 体系相 应的7Fenton 试剂再生活性炭的研究 特异性作用而引起的,所以可以进行一般

43、评价;而化学吸附则是源于特性作用,难以进行一般评价,需要进行与各个吸附体系相应的评价。 1.3 活性炭的应用 国内外活性炭的生产与应用都比较晚。 欧美国家在 20 世纪初已经开始发展活性炭工业化生产 , 并运用活性炭吸附法处理工业废水 。20 世纪 30 年代在费城建立了世界上首例采用活性炭吸附处理废水的大型 污水处理系统。目前,全球约有 50多个国家生产活性炭。 我国的活性炭工业起步较晚, 直到 20 世纪中叶才真正开始,并在 20 世纪 70 年代得到迅速发展,目前国内大概有 300 多家活性炭生产厂家。 回顾百年来世界活性炭应用的历史,可粗略划分为三个阶段: (1 )第一阶段:从 20

44、世纪初到 20 世纪 20 年代为萌芽阶段。 (2 )第二阶段:从 20 世纪 20 年代到 20 世纪中期为成长阶段。 (3 )第三阶段:从 20 世纪中期到 20 世纪末期为发展阶段,发展成为环保大运用阶段。 我国活性炭的应用历史可简化为三个阶段。 (1 )第一阶段是 1940 年以前 ,国内制药和化学工业中使用少量的活性炭量,且基本上都是从国外进口。 (2 )第二阶段从 1950 年左右开始,国产的活性炭开始进入市场。1951 年,沈阳的单管炉活性炭厂,之后上海的电热活化法活性炭厂,接着有氯化锌活化法活性炭厂都相继投产使用,50 年代末,福建、浙江、广东、山东等地纷纷建厂 。1966 年

45、,随着太原首创斯列普炉活化法厂后,斯列普炉厂在国内各地相继开设 。另外,还存在大量的转炉和耙式炉等活性炭生产工厂。我国的活性炭总生产能力从 20 世纪 50 年代初的几十吨猛增到 80 年代的十几万吨。 由于活性炭的生产与应用相互影 响和促进, 活性炭的应用领域也被迅速扩展,从最初单一的通用炭向多品种的专用炭迅速发展,例如载体炭 、油脂炭 、试剂炭、净水炭、针剂炭、糖炭、黄金炭、味精炭、药用炭等等,可见活性炭在我国各领域的应用之广。 (3 )第三阶段 是 1980 以 后。随着改革开放和国内经济的迅猛发展,活性炭应用量也迅速递增,又由于产量大、成本低促使出口量上升。我国活性炭不仅满足国内市场发

46、展,而且进入了国际市场。 随着国民 经济的迅 速发展和 科学技术 的快速进 步,特别 是近年来 世界各 国都加强了保护环境和污染治理的力度,进一步促进了活性炭应用和研究,很多新型的具有特殊作用的活性炭材料不断被研发生产出来,活性炭的应用范围也迅速扩增,由此看来,活性炭这一古老而又新颖的吸附材料仍具有广阔的发展空间。特别是水处理、环保用途的前景越来越广阔。回顾国内外活性炭的发展历程,活性8硕士学位论文 炭的主要应用领域包括以下几个方面: (1 ) 作为气相吸附剂的应用 随着人们 对环保意 识的增强 ,活性炭 在治理空 气污染方 面的需求 量将越 来越大。通常,用于气体吸附的是颗粒活性炭,发达的微孔结构使其具有超强的吸附能力。活性炭吸附的气体种类多、速度快,而且大多数可以再生,废弃时,活性炭本身没有化学污染,在室内空气净 化、易挥发性溶液的回收利用、工业气体的13分离纯化等方面得到很快的发展 。 (2 ) 作为液相吸附剂的应用 活性炭作 为液相吸 附剂,始 于