果殼活性吸附組合法水處理工藝
內(nèi)容： 臭氧氧化與活性炭吸附組合法是一種新型水處理工藝，特別是在西歐一些國家，諸如原西德、法國和意大利等國，已經(jīng)應(yīng)用多年。例如，法國利用活性炭+臭氧處理法進行凈化飲用水，其用活性炭的方法有下列兩種:①在沉淀之前投加粉狀活性炭，如莫桑水廠投加量為8-10mg/L，柏萊水廠因水污染嚴(yán)重，投加量為100mg/L。②在濾池后投加粒狀活性炭，并產(chǎn)生生物凈化作用。日本利用臭氧/活性炭組合法處理含硫廢水，氧化程度深、反應(yīng)時間短、處理效率高、無二次污染，設(shè)備投資費和操作費用也低。日本大阪市用臭氧-椰殼活性炭氧化工藝法處理工業(yè)廢水，其脫臭率接近100%。美國利用臭氧/活性炭組合法處理廢水，解決了單獨用粒狀活性炭處理廢水所存在的一些問題。我國哈爾濱化工區(qū)地下水和撫順渾河水源用臭氧加活性炭組合法處理水中污染物，取得了良好效果。
臭氧是氧的同素異形體，由三個氧原子構(gòu)成。臭氧具有極強的氧化能力。自1905年起，臭氧開始在水處理領(lǐng)域得到應(yīng)用，最初是用作飲用水的消毒劑。70年代末，世界上用臭氧消毒的自來水廠已達1200多座。臭氧氧化法深度處理廢水是臭氧在水處理中應(yīng)用的另一領(lǐng)域。國外利用臭氧處理工業(yè)廢水(包括煉油、石化、化工、印染及含酚廢水等)已經(jīng)取得明顯成效。90年代以來臭氧在水處理中新的應(yīng)用領(lǐng)域，即用臭氧處理冷卻水技術(shù)也得到進一步應(yīng)用。自70年代以來，我國利用臭氧處理自來水及一些工業(yè)廢水取得一定進展。
在臭氧活性炭組合法應(yīng)用過程中，由于在活性炭吸附段前投加臭氧，它以極強的氧化能力使許多大分子有機物分解為小分子而容易被活性炭脫附，這既達到水的深度凈化目的，又是活性炭再生過程，從而顯著延長活性炭使用壽命、簡化操作，比單用臭氧法處理可減少臭氧用量。
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、活性炭達到吸附平衡時所需的時間及活性炭達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.
碳氮化合物的污染源有：石油化工的生產(chǎn)過程，使用有機溶劑的工廠，汽車、輪創(chuàng)、飛機油類的燃燒等。它們不僅對人體有害，有的還有致癌和致突變作用，而且在日光下，會和氮氧化合物造成二次污染的光化學(xué)煙霧。凈化方法有窯、爐直接燃燒，火炬燃燒和催化燃燒。也可廣泛使用活性炭吸附進行凈化，雖也可用分子篩或硅膠做吸附劑，但從吸附容量、吸附有機物的種類來看，應(yīng)用最廣、效果最好的還是活性炭。用顆粒果殼活性炭凈化廢氣，大都用并聯(lián)操作的固定床吸附器。廢氣進氣前應(yīng)做去除其中的微粒和液滴的預(yù)處理。常用水蒸氣脫附再生，經(jīng)脫附、冷凝、分離后回收有機溶劑，不溶于水的溶劑可用分層而分離；溶于水的溶劑可用精餾而分離。對少量的水溶性溶劑也可與水一起慘入煤炭進爐燒掉。有些有機溶劑被活性炭吸附，用水蒸氣加以脫附，例如丙烯酸、二丁胺、丙烯酸丁酯、丙烯酸異丁酯、丙烯酸乙酯、甲基乙基吡啶、丁酸、苯酚、異佛爾酮、丙酸、苯酚和戊酸等。對于難以用水蒸氣脫附再生的有機物，要選用其他方法，如真空再生、吹掃氣體再生或化學(xué)再生。
用活性炭可從一種烴類或石油類中分離出聚合烴類。對空氣中七種有機物如甲苯、丙酮、乙醇、乙腈、乙酸乙酯、氯乙烯、乙酸，以不同原料如椰子、橄欖和棗制成的活性炭分別做吸附測試，均有良好的吸附力，而以橄欖為原料的活性炭為最佳。分子篩有篩選一定大小分子的作用，原來從賽綸樹脂制成；現(xiàn)在也可從煤，經(jīng)適當(dāng)方法處理，再經(jīng)均勻活化而得，該類活性炭具有兩個平行的平面層間距結(jié)構(gòu)，可篩選性地吸附50mm以下的分子。鞏義市億洋凈水材料廠電話：0371-69599709
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