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              無煙煤濾料的吸附容量和吸附等溫線的計算方法

              • 無煙煤濾料吸附容量是指單位吸附劑所吸附的吸附質的量,單位是mg/g或其他。由于吸附是在吸附劑表面上吸附單分子層或多分子層的吸附質,為了達到一定的吸附容量,吸附質必須是具有很大比表面積的多孔物質。所謂比表面積,是指單位質量的物質所具有的表面積,比如活性炭,它的比表而積可達1000m2/g,這樣大的比表面積才使它具有比較高的吸附容量,滿足工業應用的需要。
              • 對于以物理吸附為主要的吸附過程(比如活性炭吸附/無煙煤濾料吸附),吸附質和吸附劑之間不存在簡單的化學劑量關系,影響吸附容量的因素很多,除吸附劑和吸附質本身性質外,還與溫度和平衡濃度有關。例如利用活性炭來吸附水中有機物,當活性炭和水中有機物種類確定時,該無煙煤濾料吸附容量(q)僅與溫度t和吸附平衡時水中有機物濃度(即平衡濃度(Ce)有關,可以寫作:q=f(t,Ce)。
              • 當溫度固定時,吸附容量僅隨平衡濃度變化而變化,它們之間的關系稱為吸附等溫線。根據吸附等溫線可以判斷不同活性炭的吸附性能差,也可以對吸附過程進行分析。吸附等溫線繪制是指逐點測得不同平衡濃度時的吸附容量、然后繪制在吸附容量-平衡濃度坐標體系中。以無煙煤濾料為例,其測定方法為::先將試驗的活性炭洗滌干燥,研磨至200目以下,在一系列磨口三角瓶中放入同體積同濃度的吸附質(如有機物)溶液,然后加入不同數量的活性炭樣品,在恒溫情況下振蕩,達到吸附平衡后,測定吸附后溶液中殘余吸附質濃度,按公式計算吸附容量:qe=V(C0-Ce)/m。式中:qe-平衡濃度為Ce時的吸附容量,mg/g;V-吸附質溶液體積,L;Co溶液中吸附質的初始質量濃度,mg/L;Ce-無煙煤濾料吸附平衡時吸附質剩余質最濃度,mg/L;m-無煙煤濾料樣品質量,g。
                將測得的一系列吸附容量值與其對應的平衡濃度在坐標系中作圖,即得本溫度下該活性炭對該有機物的吸附等溫線。比較不同活性炭對無煙煤濾料同一種有機物的吸附等溫線可以比較活性炭對該有機物吸附性能的好壞,可用于活性炭篩選及性能評定。
              • 歸納起來,吸附等溫線有三種類型。
                1. 郎格謬爾型
                  這是朗格謬爾于1918年提出的。該種吸附等溫線的基本特征是:隨平衡濃度上升,吸附容量增大,但當平衡濃度達到某一數值之后,吸附容量也趨向一穩定值,達到它的最大吸附極限。朗格謬爾型吸附等溫線可用以下數學式表示:qe=bq0Ce/1+bCe 式中:q0-吸附劑的吸附容量極限值,rng/g;b-常數項,L/mg。
                  朗格謬爾吸附等溫線的圖示形式如圖4-1,當Ce趨向無窮大時,qe則趨向于q0,若作1/C-1/qe圖,該等溫線在縱坐標上的截距便為1/q0,斜率則為1/bq0(圖4-2)。

                  濾料吸附容量和吸附等溫線
                  對于朗格謬爾吸附等溫線,由于存在最大的吸附極限,所以通常認為它的吸附層只有一個分子層厚,即為單分子層吸附。這種吸附模型只考慮吸附質和吸附劑之間作用,忽略了吸附質分子間的相互作用,這是它的不足之處。

                2. bet型
                  BET型吸附特征是:隨平衡濃度增大,吸附容量也隨之增大,但當平衡濃度增大到某一值時(有稱為飽和濃度),吸附容量直線上升,它不存在吸附容量極限值,卻存在平衡濃度的最大值(圖4-3)。該種吸附型式是1938年由Brunauer, Emmet t和Teller等人提出的,所以稱為BET型。
                  BET型吸附等溫線可用以下數學式表示:qe=BCeq0/(Cs-Ce)[1+(B-1)Ce/Cs] 式中:B-常數項;Cs-吸附質平衡濃度的最大值(飽和濃度)。
                  如果變換BET型吸附籌溫線的坐標,也可以得到直線關系,見圖4-4。

                  濾料吸附容量和吸附等溫線
                  BET型吸附等溫線屬于典型的多層吸附,當平衡濃度到達某一濃度時吸附容量急劇放大,可以看作是吸附質在吸附劑上多層堆積,不斷重疊,而造成吸附容量不斷上升。BET型吸附對大多數中孔吸附劑是適合的,但對活性炭則有較大偏差,事實上,BET型吸附建立在吸附劑吸附表面均一性的基礎上而忽略了吸附劑吸附表面不均一的事實。

                3. 富蘭德里胥型
                  這種吸附型式的特征是:隨吸附質平衡濃度增大,吸附容量也不斷增大,既不像朗格謬爾型吸附容量存在極限值,也不像BET型吸附容量無限上升,而呈隨平衡濃度上升,吸附容量也上升,但上升速度在逐漸減緩(圖4-5)。富蘭德里胥型吸附等溫線的數學表達式為qe=kCe 1/n
                  式中:k-吸附常數;n-吸附指數。該式在雙對數坐標系中則為一直線(圖4-6),直線的截距為1gk,斜率為1/n。因此可以將試驗測得的數值在雙對數坐標體系中繪制吸附等溫線來求得系數k和n。
                  由于富蘭德里胥型吸附等溫線表示公式簡單,便于數學處理,所以水處理中常使用該種型式來表達吸附過程。富蘭德里胥吸附等溫線中,k和1/n是很有意義的系數,從圖4-6中可看出,k為Ce=1時的吸附容量。對同一種吸附質進行吸附時,不同吸附劑k值不同,吸附劑k值越大,則吸附性能越好。1/n為直線的斜率,即隨Ce濃度變化吸附容量的變化速率,也反映吸附劑的吸附深度。對圖4-6分析可知,在吸附質濃度高的體系中(如lgCe>0,即Ce>1),選用1/n大的吸附劑可以獲得較高的吸附容量;在吸附質濃度低的吸附體系中(如Ce<1,即lgCe<0),采用1/n小的吸附劑可獲得較好的吸附容量。對無煙煤濾料吸附體系,1/n值一般在0.1-2之間。

                  濾料吸附容量和吸附等溫線

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