粉末炭和颗粒碳对雾霾吸附效果影响的研究

粉末炭和颗粒碳对雾霾吸附效果影响的研究

陈玛云，陈鸿，葛怡坤，边应（通讯作者）

作者简介：陈玛云（1996年9月-）,女，籍贯安徽合肥，长沙医学院2015级本科口腔医学6班在校生，邮箱：1561311884@qq.com

共同第一作者：葛怡坤（1994年10月-），男，籍贯安徽合肥，长沙医学院2014级本科口腔4班在校生

通讯作者：边应，长沙医学院教师

基金项目：2017年长沙医学院大学生研究性学习和创新性实验计划项目（课题编号：长医教[2017]18号-030）

（长沙医学院口腔医学院，湖南长沙410219）

摘要:目的：随着生活质量的不断提高，人类所使用的交通工具等导致生活中的雾霾含量持续增高，热门词雾霾的高频出现，政府开始有意识地控制管理雾霾的排放等，并推出了一系列的清洁能源用品。方法：研究利用成本相对较低的活性炭做吸附试验，分为几组，测定活性炭在哪种形态的投放量是多少时所作用的效率最高。结果：对于20mg/L亚甲基蓝废水处理，粉末活性炭最佳投放量是0.08g，颗粒活性炭最佳投放量8g，去除效果能达到95%以上。结论：在研究结果对比下，粉末活性炭去除效率远高于颗粒活性炭，因为粉末炭表面积远大于颗粒炭，吸附剂的比表面积是影响吸附的重要因素。

关键词：雾霾；活性炭；粉末炭；颗粒碳。

1研究背景

1.1研究目的

随着生活质量的不断提高，人们所使用的交通工具越来越多，汽车尾气中含有150~200种不同的化合物，其中对人体危害最大的有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅的化合物及颗粒物。有害气体扩散到空气中就会造成空气污染。2013年，“雾霾”成为年度关键词。2017年，李克强总理亲自将“坚决打好蓝天保卫战”写入报告。雾霾中的二氧化硫、氮氧化物以及可吸入颗粒物成为导致人类得癌的关键,如何能够减少人类因雾霾导致癌症的工具成为我们今天研究的课题所在。

1.2设计思路及创新点

活性炭是用木材、煤、果壳等含碳物质在高温缺氧条件下活化制成，活性炭吸附是利用活性炭的物理吸附、化学吸附、氧化、催化氧化和还原等性能去除水中污染物。因为这个原理，本实验决定利用活性炭耐强酸强碱以及可以吸附的特点，对雾霾中的物质实行吸附。活性炭有粉末炭和粒状炭两类，粉末炭采用混悬接触吸附方式，而粒状炭则采用过滤吸附方式。设计本实验就是在已经知道活性炭可以吸附雾霾的基础上比较两种方式哪种吸附效果更强。我们将分组实验，实验如下:

本实验的创新点在于将水处理中常用的活性炭利用在气体污染的处理上，并通过比较粉末炭和粒状炭对气体吸附的效果，在科学性的指导下，用粉末炭或颗粒炭对装置进行进一步改良，从而提高装置对雾霾的吸附效果，制作出更快更便捷更有利的装置。

2设计原理

2.1活性炭特性

活性炭化学性质稳定，可耐强酸强碱，具有良好吸附性能，它几乎可以用含有碳的任何物质做原材料来制造，活性炭在制造过程中，其挥发性有机物被去除，晶格间生成空隙，形成许多形状各异的细孔。其孔隙占活性炭总体积的70%～80%，每克活性炭的表面积可高达500～1700平方米，但99.9％都在多孔结构的内部。活性炭的极大吸附能力即在于它具有这样大的吸附面积。粉末活性炭应用于水处理在国内外已有较长的历史，在使用粉末炭时，必须根据所要去除污染物的种类和浓度进行吸附试验，以确定所需的粉炭量（应注意当粉尘浓度过高时遇明火易爆炸)。颗粒炭具有发达的微孔构造和巨大的比表面积，是多孔的疏水性吸附剂。

2.2活性炭吸附特征

活性炭的孔隙大小分布很宽，从10-1nm到104nm以上，一般按孔径大小分为微孔、过渡孔和大孔。在吸附过程中，真正决定活性炭吸附能力的是微孔结构。活性炭的全部比表面几乎都是微孔构成的，粗孔和过渡孔只起着吸附通道作用，但它们的存在和分布在相当程度上影响了吸附和脱附速率。研究表明，活性炭吸附同时存在着物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。

2.2.1物理吸附

分子力产生的吸附称为物理吸附,它的特点是被吸附的分子不是附着在吸附剂表面固定点上,而稍能在界面上作自由移动。物理吸附可以形成单分子层吸附,又可形成多分子层吸附。由于分子力的普遍存在,一种吸附剂可以吸附多种物质,但由于吸附物质不同,吸附量也有所差别。这种吸附现象与吸附剂的表面积、细孔分布有着密切关系,也和吸附剂表面力有关。

2.2.2化学吸附

活性炭在制造过程中炭表面能生成一些官能团,如羧基、轻基、淡基等,所以活性炭也能进行化学吸附。吸附剂和吸附质之间靠化学键的作用,发生化学反应,使吸附剂与吸附质之间牢固地联系在一起。一种吸附剂只能对某种或特定几种物质有吸附作用,因此化学吸附只能是单分子层吸附,吸附是较稳定的,不易解吸。活性炭在制造过程中,由于制造工艺不一样,活性炭表面若有碱性氧化物则吸附酸性物质,若活性炭表面有酸性氧化物则吸附碱性物质。

2.2.3离子交换吸附

一种物质的离子由于静电引力聚集在吸附剂表面的带电点上,在吸附过程中,伴随着等量离子的交换口。离子的电荷是交换吸附的决定因素。被吸附的物质往往发生了化学变化,改变了原来被吸附物质的化学性质。这种吸附也是不可逆的,因此仍属于化学吸附,活性炭经再生也很难恢复到原来的性质。

2.3活性炭在雾霾处理中的运用

用活性炭吸附法处理雾霾就是利用其多孔性固体表面，吸附去除雾霾中的有机物或有毒物质，使之得到净化。研究表明，活性炭对分子量500-1000范围内的有机物具有较强的吸附能力。活性炭对有机物的吸附受其孔径分布及有机物极性和分子大小的影响。

3研究方法

3.1仪器与药品

仪器:可见分光光度计恒温摇床

药品:亚甲基蓝、粉末活性炭(PAC)、不定型颗粒活性炭(GAC)

3.2实验操作

3.2.1亚甲基蓝标线绘制:配制100mg/L的亚甲基蓝溶液（量取10ml1000亚甲基蓝母液于100ml容量瓶，用蒸馏水稀释至标线。）

3.2.2用移液管分别移取亚甲基蓝标准溶液0.5、1、1.5、2、2.5ml于50ml比色管中，用蒸馏水稀释至刻度线处，摇匀，以水为参比，在波长664nm处，用1cm比色皿测定吸光度，绘出标准曲线。

3.3吸附实验

3.3.1粉末炭与颗粒炭吸附效果比较

分别称取0.01、0.02、0.04、0.08、0.l2gPAC或0.5、1、2、4、8gGAC，加入到100mL浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液中，放入恒温振荡器中振荡，设置转速为200r/min，温度30℃，反应30min，取上清液测定剩余溶液的吸光度，考察活性炭投加量对亚甲基蓝去除率的影响。

3.3.2活性炭吸附过程类型确定

分别称取0.01、0.02、0.03、0.04、0.05gPAC或0.5、1、2、4、6gGAC，加入到100mL浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液中，放入恒温振荡器中振荡，设置转速为200r/min，温度30℃，反应30min，取上清液测定剩余溶液的吸光度。根据吸附前后亚甲基蓝浓度差、溶液体积和吸附剂用量计算活性炭对亚甲基蓝的吸附容量(qe)。对试验数据分别做Langmuir吸附方程q=kpqm/(1kp)和Freundlich吸附方程1gГ=1gK+1/n*1gp拟合。

3.3.3穿透曲线

从吸附柱（20cm、30cm）上口流进40mg/L的亚甲基蓝溶液，从吸附柱出口接样调节其流量为8ml/min，一定时间间隔后接样，分析其浓度。直到出口浓度为初始浓度的90%为止，实验结束。

3.4结果与讨论

3.4.1标准曲线：不同浓度亚甲基蓝标液对应吸光度如表1所示。根据表中数据，绘制Abs-浓度曲线，如图1。

标准曲线相关系数R=0.999，说明在664nm处，亚甲基蓝浓度在0-5mg/l与吸光度有较好的线性关系。吸收曲线方程为y=0.2045x-0.0193。

3.4.2不同活性炭去除效果比较

由图1可以看出，无论是颗粒炭还是粉末炭，在一定范围内，随投加量增加，对亚甲基蓝去除率都是先快速上升，后上升趋势减缓；对于20mg/l亚甲基蓝废水处理，粉末活性炭最佳投加量为0.08g，颗粒活性炭最佳投加量为8g，去除效果能达到95%以上；显然，粉末活性炭去除效率远高于颗粒活性炭，这是因为粉末炭比表面积远大于颗粒炭，而吸附现象发生在吸附剂表面上,所以吸附剂的比表面积是影响吸附的重要因素之一,比表面积越大,吸附性能越好。

3.4.3吸附过程类型确定

3.4.3.1粉末活性炭

单分子吸附的Langmuir方程为：

q=kpqm/(1+kp)(1)

方程两边取倒数得，1/q=1/（kqm）*1/p+1/qm(2)

式2两边同时乘以p得，p/q=p/qm+1/kqm(3)

由式3知，p/q和p呈直线关系，将实验数据整理为：

Freundlich吸附方程为：q=kp1/n(4)

式4两边取对数得：Inq=1/nInp+Ink(5)

由式5知,Inq和Inp呈直线关系，将实验数据整理为：

由以上计算可知，采用Langmuir方程拟合的线性相关性与Freundlich吸附方程相近，所以可以确定粉末炭对亚甲基蓝吸附过程即符合Langmuir型又符合Freundlich型。由p/q-p直线可计算出粉末炭饱和吸附量qm=0.0353mg/mg(C)；由直线斜率1/（kqm）=15.702，求得k=1.80.

3.4.3.2颗粒活性炭

运用与5.3.1相同的原理和方法，分别作颗粒炭的p/q-p直线（图5）和Inq-Inp直线（图6）。

结合图5、6，颗粒炭Langmuir方程拟合的线性相关性远好于Freundlich吸附方程，可以确定颗粒炭对亚甲基蓝吸附过程即

符合Langmuir型，饱和吸附量qm=2.7×10-4，k=2.52。

3.5吸附柱实验

初始浓度为40mg/l，进料流速为8ml/min,在不同填料高度下测定活性炭柱对亚甲基蓝的吸附性能，穿透曲线如图7.吸附柱高度分别为21cm和29cm，出水浓度达到进水浓度90%所需时间分别为215min和275min，随着吸附柱高度增加，提高了活性炭对亚甲基蓝的吸附量，吸附终点推迟。不同吸附柱的穿透曲线相似，这是因为吸附平衡和传质扩散速率不随吸附柱高度的变化而变化。至于个别数据较异常，是因为实验所用活性炭颗粒较大，吸附柱难以填充密实，会存在相对较大的空隙，部分溶液直接通过这些空隙而减少与活性炭接触的时间，所以出水浓度会出现波动。

4研究结论

对于20mg/l亚甲基蓝废水处理，去除效果能达到95%以上所需粉末活性炭最佳投加量为0.08g，颗粒活性炭最佳投加量为8g。

显然，粉末活性炭去除效率远高于颗粒活性炭，这是因为粉末炭比表面积远大于颗粒炭，而吸附现象发生在吸附剂表面上,所以吸附剂的比表面积是影响吸附的重要因素之一,比表面积越大,吸附性能越好。

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