《水污染控制原理》课程授课教案（讲义，研究生）第三章 活性炭吸附

研究生精品课程建设教案第三章活性炭吸附（一）教学设计2.1本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面①吸附现象及吸附等温线②静态吸附与动态吸附③吸附柱设计及原理2.2本章节重点本章节重点：活性炭的制备、结构及性能、吸附等温线及意义、吸附公式的应用、吸附柱的设计本章节难点：静态吸附与动态吸附传质差异、逆流吸附、有效容量、总吸附能力、有效容积及饱和百分数计算2.3本章节教学内容本章教学内容如下3.活性炭吸附3-1活性炭的性能3-2吸附等温线3-3Langmuir公式的推导3-4吸附公式的应用3-5吸附柱的设计4.4本章节教学方法1.情景导入从吸附仿真（动态）过程入手。2.双案例关联静态吸附在基础研究方面的应用（案例五）动态吸附在工程设计方面的应用（案例六1、2）1.4本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的吸附剂及设备的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解吸附剂基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，要求并将这类问题变成后发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对1

1 研究生精品课程建设教案 第三章 活性炭吸附 （一）教学设计 2.1本章节内容归纳 本章节主要内容包括以下几个方面 ①吸附现象及吸附等温线 ②静态吸附与动态吸附 ③吸附柱设计及原理 2.2本章节重点 本章节重点：活性炭的制备、结构及性能、吸附等温线及意义、吸附公式的 应用、吸附柱的设计 本章节难点：静态吸附与动态吸附传质差异、逆流吸附、有效容量、总吸附 能力、有效容积及饱和百分数计算 2.3 本章节教学内容 本章教学内容如下 3.活性炭吸附 3-1 活性炭的性能 3-2 吸附等温线 3-3 Langmuir 公式的推导 3-4 吸附公式的应用 3-5 吸附柱的设计 4.4 本章节教学方法 1. 情景导入 从吸附仿真（动态）过程入手。 2.双案例关联 静态吸附在基础研究方面的应用（案例五） 动态吸附在工程设计方面的应用（案例六 1、2） 1.4 本章节教学互动与考核 在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行 教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的吸附剂 及设备的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及 如何应用，了解吸附剂基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网 站，要求并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对

各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，结合最后的理论课闭卷考试完成对课程教学的考核。（二）教学内容1.活性炭制备、再生、结构与性能2.吸附等温线与应用3.动静态吸附、吸附柱的设计第三章活性炭吸附S3-1活性炭的性能1.活性炭的来源CxHyOz---H2O+Cm2.活性炭的制作活性炭的制作分碳化600℃以下，活化在800-900℃时，一般用蒸汽或二氧化碳为氧化剂：当氧化温度在600℃以下时，一般用空气做氧化剂。碳化及活化后的晶体片状结构示意见图3-1。(a)碳化后(b)活化后图3—1活性炭的微晶片结构示意图3.活性炭的影响因素活性炭对于某一种物质的吸附能力与活性炭的原材料性质、碳化及活化的整个过程、吸附的环境因素以及再生操作过程都有密切的关系。4.具体的吸附作用活性炭的吸附性能是由它的表面基团类型、比表面积和孔径的分布几个因素决定的。2

2 各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考 核的一个部分，结合最后的理论课闭卷考试完成对课程教学的考核。 （二）教学内容 1. 活性炭制备、再生、结构与性能 2.吸附等温线与应用 3.动静态吸附、吸附柱的设计 第三章 活性炭吸附 §3-1 活性炭的性能 1.活性炭的来源 CxHyOz-H2O+Cm 2.活性炭的制作 活性炭的制作分碳化 600℃以下，活化在 800-900℃时，一般用蒸汽或二氧化碳为氧化 剂；当氧化温度在 600℃以下时，一般用空气做氧化剂。 碳化及活化后的晶体片状结构示意见图 3-1。 图 3—1 活性炭的微晶片结构示意图 3.活性炭的影响因素 活性炭对于某一种物质的吸附能力与活性炭的原材料性质、碳化及活化的整个过程、吸 附的环境因素以及再生操作过程都有密切的关系。 4.具体的吸附作用 活性炭的吸附性能是由它的表面基团类型、比表面积和孔径的分布几个因素决定的

S3-2吸附等温线1.如何画出等温线容积V容积V初始浓度P平衡浓度P(a)开始(b)达到平衡图3-2吸附试验10080401加活性炎1mg2加活性炭10mg/L平衡浓度14.5(1)207.8(1)3加活性炭100mg/L13.0(2)5.4(2)4活性炎1000mgl2.8(3,4)2.8(3,4)23428.4652t/h图3-3活性炭的吸附过程2.吸附等温线的类型常见的吸附等温线有三种类型，每种类型对应于一种吸附公式，如图3-4所示。（1）第一种类型的等温线，P,没有极限值，但x/m却有一极限值(x/m)%，这种类型的吸附试验资料可用Langmuir公式处理。（2）第二类型的等温线，P.有一个极限值p，，称为饱和浓度，但x/m却没有极限值。这种类型的等温线可用Branauer和Emmett及Teller（简称BET）公式处理。（3）第三类型的等温线，P。和x/m都没有极限值，可用Freundlich公式处3

3 §3-2 吸附等温线 1.如何画出等温线 图 3-2 吸附试验 图 3-3 活性炭的吸附过程 2.吸附等温线的类型 常见的吸附等温线有三种类型，每种类型对应于一种吸附公式，如图 3-4 所 示。 （1）第一种类型的等温线，  e 没有极限值，但 x m 却有一极限值 0 ( ) x m ， 这种类型的吸附试验资料可用 Langmuir 公式处理。 （2） 第二类型的等温线，  e 有一个极限值  s ，称为饱和浓度，但 x m 却 没有极限值。这种类型的等温线可用 Branauer 和 Emmett 及 Teller（简称 BET） 公式处理。 （3）第三类型的等温线，  e 和 x m 都没有极限值，可用 Freundlich 公式处

理。(%)南E用?P.PeOPPe1 型Ⅱ型III型图3-4吸附等温线4.处理吸附等温线的公式（1）Langmuir公式为：≤_ b(x/m) p.m1+bpe式中，b为常数，以浓度表示，其它符号同前（2）BET公式为：B(x/m)° p.xm(P, - P.)[1+(B-1) PP.式中，B为常量（3）Freundlich公式为：1X=K,p"m式中包括K及n两个常量。Langmuir和BET公式都是理论公式，Freundlich公式则属于经验公式。Langmuir公式是根据吸附的物质只有一层分子厚的假设推导出来的。由于吸附剂的表面积是一定的，Langmuir公式中必然要出现一个吸附量的限值来，使这个公式可以整理I型吸附数据。BEF公式则从可以吸附多层物质的假定推导出来的，故吸附量没有极限值，平均浓度则以被吸附物质的饱和浓度为极限。这就符合了Ⅱ型吸附数据的规律。Freundlich公式则能适应介乎上述两者间的吸附情况。4

4 理。 图 3-4 吸附等温线 4.处理吸附等温线的公式 （1）Langmuir 公式为： 0 ( ) 1 e e x b x m m b   = + 式中，b 为常数，以浓度-1 表示，其它符号同前 （2）BET 公式为： 0 ( ) ( )[1 ( 1) e e s e s x B x m m B      = − + − 式中，B 为常量 （3）Freundlich 公式为： 1 n f e x K m =  式中包括 及 n 两个常量。 Langmuir 和 BET 公式都是理论公式，Freundlich 公式则属于经验公式。 Langmuir 公式是根据吸附的物质只有一层分子厚的假设推导出来的。由于吸附 剂的表面积是一定的，Langmuir 公式中必然要出现一个吸附量的限值来，使这 个公式可以整理Ⅰ型吸附数据。BEF 公式则从可以吸附多层物质的假定推导出来 的，故吸附量没有极限值，平均浓度则以被吸附物质的饱和浓度为极限。这就符 合了Ⅱ型吸附数据的规律。Freundlich 公式则能适应介乎上述两者间的吸附情况

s3-3Langmuir公式的推导自学S3-4吸附公式的应用1.求吸附公式中的常数数据分析。2.逆流吸附CSTR、顺、逆流吸附概念Q=100L/s100L/sP,=20mg/LP."1mg/L06CSTRMig+s-l一活性炭Mig-s-1图3-5顺流吸附-Q-100L/s100L/sp,=20mg/LP.=1mg/LoCSTRMig+s*1一活性炭Mig-s-1图3-6二级逆流吸附S3-5吸附柱的设计活性炭吸附柱设计不外下列三种类型：重力固定床、压力固定床以及硫化床，如图3-5所示。5

5 §3-3 Langmuir 公式的推导 自学 §3-4 吸附公式的应用 1.求吸附公式中的常数 数据分析。 2.逆流吸附 CSTR、顺、逆流吸附概念 图 3-5 顺流吸附 图 3-6 二级逆流吸附 §3-5 吸附柱的设计 活性炭吸附柱设计不外下列三种类型：重力固定床、压力固定床以及硫化床， 如图 3-5 所示

出水进水44V进水悬浮活性炭活性炭出水出水进水+T(a）章力困定床(b）压力定床(心）流化床图3-7吸附柱的类型1.求活性炭的容量传质系数mkaIgP-p2.303pcp-pemka式igP.-p一1可以绘成如图3-8所示的直线，由直线的斜率可求出2.303pp-peka值来。mka2.303pc-t图3-8求活性炭的ka值2.吸附柱的泄漏和衰耗过程允许的最高出水浓度P，则称为吸附柱的泄漏浓度，所生产的总水量为V，它相应的运行时间t，称为吸附周期。当出水完全达到p,的时间较长时，这时通过吸附柱的总水量为V。出水浓度达到P,时称为泄漏，这时吸附柱所吸附有机物的总量称为吸附柱的有效容量，它6

6 图 3-7 吸附柱的类型 1.求活性炭的容量传质系数 t mka e c i e      2.303 lg = − − 式 t mka e c i e      2.303 lg = − − 可以绘成如图 3-8 所示的直线，由直线的斜率可求出 ka 值来。 图 3-8 求活性炭的 ka 值 2.吸附柱的泄漏和衰耗过程 允许的最高出水浓度 b 则称为吸附柱的泄漏浓度，所生产的总水量为 Vb ，它相应的运 行时间 b t 称为吸附周期。当出水完全达到 i 的时间较长时，这时通过吸附柱的总水量为 Vx 。 出水浓度达到 b 时称为泄漏，这时吸附柱所吸附有机物的总量称为吸附柱的有效容量，它

代表了吸附柱的可能处理合格水的能力。出水浓度达到β，时称为耗竭，这时吸附柱所吸附有机物质了代表了吸附柱所具有的总吸附能力。IPPP0产水累计量VV图3-9吸附柱的泄漏和耗竭曲线由图3-9可以看出，面积OVVP,则代表了吸附柱的总吸附能力。VV所代表的是有机物的能力。在吸附柱的运行过程中，有一个8的吸附厚度从吸附开始逐渐从柱顶向下运动，在泄漏时间t，达到柱底，并在耗竭时间t完全消失掉。这个厚度称为吸附带。吸附带代表了原水中有机物浓度从,被去除到P,所必须通过的最小吸附柱厚度。7

7 代表了吸附柱的可能处理合格水的能力。出水浓度达到  x 时称为耗竭，这时吸附柱所吸附 有机物质了代表了吸附柱所具有的总吸附能力。 图 3-9 吸附柱的泄漏和耗竭曲线 由图 3-9 可以看出，面积 OV vb x i  则代表了吸附柱的总吸附能力。 V V v v b x x x  所代表的 是有机物的能力。 在吸附柱的运行过程中，有一个 δ 的吸附厚度从吸附开始逐渐从柱顶向下运动，在泄漏 时间 b t 达到柱底，并在耗竭时间 x t 完全消失掉。这个厚度称为吸附带。吸附带代表了原水 中有机物浓度从  x 被去除到 b 所必须通过的最小吸附柱厚度

1drLv.VeY(V"产水累计量-tbtp(')"运行时间U9UU(a)泄漏与耗竭曲线新鲜活性炭完全饱和活性炭饱和分数为/的柱高V(b)/的定义图3-10泄漏耗竭曲线的物理涵义由上面讨论，可知吸附带的总吸附能力为面积VV.v.V,所代表的有机物，但当吸附带到达柱底后，它只具有面积VVy所代表的吸附能力。因此，可定义吸附带的分数容量为面积VVv_(fS)厘米吸附柱的全部吸附能力F面积VVyV8厘米吸附柱的全部吸附能力L-f8吸附柱的饱和百分数=×100%L3.吸附柱的设计建立吸附过程曲线与容量传质系数的关系主要是找出这一曲线的S形末端与容量传质系数间的关系。这一关系可以通过分析从吸附带8厚度到达柱底（此时吸附柱到达吸附周期t，）起到它的吸附能力完全耗竭止（即到达耗竭时间t）的吸附能力消失过程。吸附能力的消失也就是吸附带的消失。参看图3-11。8

8 图 3-10 泄漏耗竭曲线的物理涵义 由上面讨论，可知吸附带的总吸附能力为面积 V V v v b x x b 所代表的有机物，但当吸附带到 达柱底后，它只具有面积 V V v b x x 所代表的吸附能力。因此，可定义吸附带的分数容量 f 为 ( ) b x x b x x b V V v f f V V v v   = = 面积 厘米吸附柱的全部吸附能力 面积 厘米吸附柱的全部吸附能力 100% L f L −  吸附柱的饱和百分数 =  3.吸附柱的设计 建立吸附过程曲线与容量传质系数的关系主要是找出这一曲线的 S 形末端与容量传质 系数间的关系。这一关系可以通过分析从吸附带 δ 厚度到达柱底（此时吸附柱到达吸附周期 b t ）起到它的吸附能力完全耗竭止（即到达耗竭时间 x t ）的吸附能力消失过程。吸附能力 的消失也就是吸附带的消失。参看图 3-11

(x/m)等温线：P.操作线RPL1mx1my从0增加到8（a）柱底吸附带中的x/m分布曲线（b）吸附等温线及操作线图 3-11f=11-4yV-V-o"v-V,()-(-)=dlf及8已知后，就可以由式两个式子计算吸附柱的有效容积及饱和百分数

9 （a）柱底吸附带中的 x / m 分布曲线 （b）吸附等温线及操作线 图 3-11         − −         = −  x b b i V V V V f d 1 0 1   b b V V y V V − − =  x         − −  =      x b b V V V V d y d                = −     y f d i 1 0 1 f 及  已知后，就可以由式两个式子计算吸附柱的有效容积及饱和百分数