1、68活性碳吸附详细说明一、 前言吸附是一种常用的水处理程序，所谓吸附是指利用吸附剂上的孔隙结构或表面上的化学官能基来去除废水中的污染物质。完整的吸附过程可以包含吸收(absorption) 以及吸附(adsorption)两种效应，吸收是指物质被渗入(或融入)吸附剂中，通常是同构型的物质才会发生吸收效应 (例如有机物会被油分所吸收) ；而吸附只是在吸附剂表面的现象，被吸附的物质并未被融入吸附剂中，仅是被附着于吸附剂的表面而已。常用的吸附剂都以碳结构为主，可由木材、椰子壳、煤炭等等经过无氧热解程序制成，一般经热解完成的碳结构称为焦炭(charcoal)，若再利用水蒸气或氯化锌等进行活化处理后即是
2、活性碳(activated carbon)。焦炭与活性碳都是最常见的吸附剂，其差别在于活性碳经过活性处理后可提供较佳的处理效果。活性碳或焦炭之所以可做为吸附剂主要是因为其内部结构中有非常多的孔洞，物质在吸附过程经由传输进入这些孔洞后，可被截留住而吸附于吸附剂的表面而达去除的效果，而这种截留吸附的机制又可以分为物理性吸附与化学性吸附两种。物理性吸附主要是藉69由被吸附的物质(称为溶质)与吸附剂间的凡得瓦尔力(Van der Waal)，将其吸引后截留于吸附剂的表面；而化学性的吸附则主要是靠吸附剂表面的化学官能基与溶媒间产生化学键结而形成吸附。物理性吸附为一种可逆现象，因此可让活性碳再生重复使用，
3、例如用蒸气就可以让物理性吸附的物质释出而达成活性碳再生的目的。至于化学性吸附则因为是形成化学键，通常为不可逆的反应，所以会使再生困难。吸附剂的孔洞非常多，虽然活性碳的颗粒极小而孔洞所呈现的表面积也非常大，一般而言每克活性碳的比表面积可达 100 m2 以上。二、 恒温吸附模式吸附剂的吸附能力称为吸附容量(adsorptive capacity)，其定义为单位吸附剂所能够吸附的溶质量，通常以 x/m 表示(x 为被吸附溶质的质量，而 m 为吸附剂的重量，x/m 单位通常以 mg/g 来表示)。不同吸附剂的 x/m 不相同，而在操作上 x/m 也会受到温度、溶质浓度以及时间的影响。一般而言，温度高
4、较不利于吸附，而溶质浓度越高与较长的吸附时间可得到较高的 x/m。恒温吸附模式(adsorption isotherm)为表示 x/m 与溶质浓度间关系的一种模式，常见的恒温吸附模式有 Langmuir、BET 以及70Freundlich 三种模式，Langmuir 为一种单层吸附模式；BET 则为双重吸附模式；而 Freundlich 则为一种经验吸附模式，其中以Freundlich 与 Langmuir 较常被使用。 Freundlich 恒温吸附模式Freundlich 恒温吸附模式为： neKCmx1其中 x/m 为吸附容量，K, n 为常数，Ce 为吸附达平衡时溶质在溶液中的浓度，
5、将上式两边各取对数(ln)后可以得到 eCnKmxl1l)ln(此时以 lnCe 为 x 轴，以 ln(x/m)为 y 轴绘图，应该可以得到一线性关系( 如下图) ，而此直线的斜率即为 1/n；而截距则为 lnK。因此，可以利用实验的方法来求得 Freundlich 恒温吸附模式中的参数(K 与n)，做为评估吸附处理适当与否的参数。当 n 值越大时，表示吸附容量与溶质平衡浓度较不相关，若该溶质的 x/m 非常大时，非常适合吸附处理。反之，若 n 值小于 1 时，则表示吸附容量受溶质平衡浓度影响非常大，此时对于较低浓度的溶质吸附是较为不利的。而71K 值越大则是越利于吸附。l n C e斜率 =
6、 1 / n截距 = l n Kln(x/m)Freundlich 恒温吸附模式图 Langmuir 恒温吸附模式在 Langmuir 吸附模式中有以下的假设: 吸附剂上可用的吸附面积有限 吸附剂表面只能吸附单分子厚度的溶质 吸附作用是可逆的而 Langmuir 恒温吸附模式如下: eKCamx172其中 x/m 为吸附容量，K 为常数，Ce 为吸附达平衡时溶质在溶液中的浓度，a 为吸附饱和时被吸附物质量与吸附剂之比将 Langmuir 恒温吸附模式取倒数后可得到 aCKamxee11)/( 此时以 1/Ce 为 x 轴，以 1/(x/m)或 m/x 为 y 轴绘图，应该可以得到一线性关系，而
7、此直线的斜率即为 1/aK；而截距则为 1/a。因此，此亦可以利用实验的方法来求得 Langmuir 恒温吸附模式中的参数(K与 a)，做为评估吸附处理适当与否的参数。当 a 值越大时，表示被吸附溶质量与吸附剂比值大，为一非常适合吸附处理的情况。而 K值越大亦是越利于吸附。73m/x1 / C e斜率= 1 / ( a K )截距 = 1 / aLangmuir 恒温吸附模式图74三、活性碳吸附设备活性碳吸附的操作方式有批次式(Batch)、固定床塔式或称为固定床接触管柱(fixed bed contact column)与流体化床吸附管柱(fluidized bed column)等等。在操
8、作上固定床接触管柱可采下流式(downflow)或上流式(upflow) 操作，而流体化床吸附管柱一定采用上流式的操作。下流式的操作废水是由上方进入，通过活性碳层吸附后由管柱底部出流，此法兼具有过滤的效果，但是操作不当可能会发生短流现象而影响处理效果。上流式则是由底部进水，缓慢上升通过活性碳层吸附后由上方出流，此法可让活性碳在吸附过程中因重力而自然下沉，形成一稳定的吸附床，且比较不会发生短流现象。至于流体化床则是废水以上流方式进入，且因为流量较大，可将活性碳举起呈现悬浮状态并在管柱内不断循环流动，因而称之为流体化床。流体化床法的优点是水流速度快且活性碳呈现悬浮状态，所以有良好的质传效果可以增快
9、吸附的速度，且不会有活性碳床阻塞的问题，但其缺点为需要较大的反应器容量以满足流体化时的体积膨胀，而且操作不当会形成喷出现象将活性碳喷出吸附塔。75下流式 上流式 流体化床吸附塔反应器在活性碳吸附处理时，溶质的传输现像是非常重要的，良好的传输作用可让溶质接近活性碳表面而吸附去除。吸附过程中溶质的传输现象可以分为四个步骤进行: 溶质从水溶液中传输至活性碳表面的液膜 溶质穿透活性碳表面之液膜内进行扩散 溶质由在活性碳内孔隙进行扩散 溶质扩散至活性碳表面发生吸附在上述四个步骤中第一项与第二项可称为薄膜扩散(Thin film diffusion)，而第三项则是属于孔隙扩散现象。由于吸附反应速率远大于扩
10、散速率，因此速率限制步骤主要为膜扩散或孔扩散，其中薄膜扩散可藉由水力作用(如加强扰动现象)来帮助溶质的扩散，增快吸附的进行，为缩短反应所需时间则应适当搅拌并选用粒径较小之76活性碳。在活性碳吸附塔的设计上一般会使用贯穿曲线(breakthrough curve)试验来评估吸附塔所能处理的废水量，所谓贯穿曲线即是将废水进流至活性碳吸附塔中，然后连续监测出流水质情形，并画图来呈现监测情况，一般的贯穿曲线图如下图所示。C ,出流水濃度V , 出流水體積VBVT活性碳吸附塔之贯穿曲线图四、恒温吸附实验4-1 仪器与设备1. 分光亮度计 2. 定速旋转器773. 三角烧瓶4. 定时器5. 抽气过滤装置6
11、. 分析天平7. 恒温装置4-2 实验材料1. 粒状活性碳(GAC) 2. 模拟废水(甲基蓝废水)3. 封口膜(parafilm)4-3 实验方法与步骤1. 实验用粒状活性碳之准备将活性碳于二段水反复冲洗数次，过滤后于 105下干燥取出并置于干燥皿冷却至室温，先后以 20 号及 40 号标准震动筛筛分，使其粒径分布于 0.42 0.84mm 之间，处理后以塑料夹炼袋保存备用。2. 活性碳饱合吸附所需时间之决定将模拟废水注入 10 个烧瓶内，再分别加入 0.25g 之活性碳。以封口膜(parafilm) 封口，置于可定速旋转振荡器连续振荡之，控制恒78温于 251，每 10 分钟取样一瓶进行分析
12、，测水残留之吸亮度，待所有皆分析后作吸亮度对时间变化图以决定达饱合吸附所需之时间。3. 恒温吸附实验将模拟废水分别注入 10 个烧瓶内，再分别加入不同剂量之活性碳( 剂量从 0.05g1g)。以封口膜 (parafilm)封口，置于可定速旋转振荡器连续振荡之，控制恒温于 251，以前次实验所得之饱合吸附时间为实验所需时间，待时间到达时取出所有样本分析吸亮度。3. 恒温吸附模式之计算以上述实验结果计算 x/m 值与 Ce 值，并绘制 Freundich 恒温吸附模式直线图与 Langmuir 恒温吸附模式图，并进行线性回归分析求出此两种模式之参数。4-4. 结果处理将上述实验之分析结果整理如下表样本 吸光值废水处理前10min(样本一)7920min(样本二)30min(样本三)40min(样本四)50min(样本五)60min(样本六)70min(样本七)80min(样本八)90min(样本九)100min(样本十)活性碳剂量(m)(g)吸光值 Ce 去除量 x(mg) x/m0.050.10.150.20.250.30.350.40.450.580将整理之数据绘制出 Freundich 恒温吸附模式图与 Langmuir 恒温吸附模式图，并将两图进行线性回归分析求出此两种模式之参数(n, K)与(a, K)。
