活性炭去除水中余氯的分析（宋伟）

湖南城建职业技术学院 2012届毕业论文 系 部： 材料工程系 学生姓名： 宋 伟 指导老师： 曹 红 葵 专 业：环境监测与治理技术 班 级： 环保0901 2012年4月 1`

活性炭去除水中余氯的分析

宋伟

湖南城建职业技术学院，湘潭

摘要：通过对5 种不同活性炭的去除余氯量实验、余氯穿透实验以及化学反应产物Cl 的质量平衡数据,探讨了活性炭去除余氯的性能和机制。活性炭去除余氯是吸附与化学反应共同作用的结果。活性炭与水中余氯接触后的初期,去除余氯以吸附作用为主;达到吸附平衡后,余氯浓度继续下降则是由于化学反应的作用。接触时间越长、余氯初始浓度越高、p H 较低,活性炭去除余氯量越大。由Cl 的生成量可以确定化学反应去除余氯量是余氯总去除量的一部分;接触时间越长,活性炭剂量越大,化学反应去除余氯量占余氯总去除量的比例越高。使用粒径< 180 目活性炭进行余氯去除实验,吸附容量在1～2 h 即达到饱和。活性炭对余氯吸附量(2 h 的余氯去除量) 的大小与其苯酚值排行相同。苯酚值及碘值较高的煤质炭与余氯有较强的化学反应,果壳炭其次,而椰壳炭的化学性相对稳定。

关键词： 活性炭 余氯 去除 物理吸附 化学反应

- -

1.前言

水中氯的来源主要是自来水厂或污水处理厂出水中加氯杀灭微生物后的剩余氯。水中余氯会对

饮用水口感

[1 ]

、人体健康

[2 ]

、食品饮料品质、离子交换和膜分离技术设备

[3 ]28-29

,

[4 ,5 ]

以及水生

生物造成影响和危害。去除水中余氯主要有化学还原和活性炭处理两种方法

[7 ]

,

[ 8 ]2635

。活性炭

法具有去除效率高、不产生二次污染、能同时去除水中有机物的特点,因此常用于大规模去氯工艺。关于活性炭去除余氯原理,文献应:

HClO + C →CO + Cl + H+ (1) OCl + C →CO + Cl (2)

式中:C为活性炭自由基;CO为表面氧化物。黄建东等

*

*

[3 ]29

-*

*

-*

*

-[ 9 ]

认为活性炭中有一种活性很强的自由基,能与余氯发生如下反

和闻瑞梅等 则强调了活性炭的催化作

[7 ]

用,认为在活性炭的作用下HClO 分解生成了新生态氧( [O]) ,继而将碳氧化,反应如下:HClO活性炭

活性炭

HClO

Cl + H+ + [O] (3)

-

2[O] + C —CO2 ↑ (4)

活性炭的脱氯性能主要以去除量和去除速率表征 。本文着重对活性炭去除水中余氯量进行了实

[8 ]

验研究 蒸汽,主要目的为: (1) 观测不同材质活性炭对余氯的去除能力; (2) 探讨不同材质活性炭与余氯的化学反应性能; (3) 研究活性炭与余氯接触时间(简称接触时间) 、余氯初始浓度、溶液初始p H、活性炭材质等因素对余氯去除的影响; (4) 分析Cl 生成量和活性炭剂量及余氯去除量的关系,印证活性炭去除余氯机制; (5) 进行穿透实验,比较不同材质活性炭对余氯的去除能力。

-

2 材料与方法

2. 1 材料与仪器

5 种国产商品活性炭:3 种不同活化程度的煤质炭( Ⅰ～ Ⅲ) ;果壳炭和椰壳炭各1 种。商品活性炭经粉碎、筛选、洗净、烘干待用。表1 为表征活炭对不同大小分子的吸附性能及表面化学性质的4 项指标值。苯酚值体现活性炭内孔径小于1. 0nm 微孔的发达程度及表面氧化情况,可表征活性炭对于小分子芳环类和极性化合物的吸附能力;碘值体现活性炭内孔径1. 0～1. 5 nm 微孔的发达程度与比表面积大小;甲基蓝值则代表活性炭内孔径为1. 5～2. 8 nm 的微孔和小中孔发达程度; 丹宁酸值代表活性炭内孔径大于2. 8 nm 左右的中孔数量

[9 ]432 ，[14]

。

表1 活性炭吸附性能指标信息

mg/ g

活性炭种类 苯酚值1) 碘值2) 甲基蓝值3) 丹宁酸值4) 煤质炭Ⅰ 81.0 1114 313 42.3 果壳炭 111.0 1033 307 105.0 椰壳炭 131.0 999 164 13.2 煤质炭Ⅱ 74. 6 902 204 8.1 煤质炭Ⅲ 61.9 543 < 150 33. 3 注:1) 在平衡质量浓度为20 mg/ L 的苯酚溶液中,1 g 活性炭吸附的苯酚量,mg/ g ;2) 在平衡摩尔浓度为0. 02 mol/ L 的碘溶液中,1g 活性炭吸附的碘量,mg/ g ; 3) 在平衡质量浓度为1 mg/ L 的甲基蓝溶液中,1 g 活性炭吸附的甲基蓝量,mg/ g ;4) 在平衡质量浓度为2mg/ L 的丹宁酸溶液中,1 g 活性炭吸附的丹宁酸量,mg/ g。 次氯酸钠溶液,化学纯,活性氯≥5. 2 %(质量分数) ;游离碱, 7. 8 %～8. 0 %(以NaOH 计,质量分数) ;N ,N2二乙基21 ,42苯二胺硫酸盐(DPD) ;硝酸银(分析纯) 。UV2000 紫外分光光度计; PHS23E 型数字酸度计;4041/ KSM2 型电动咖啡研磨机(美国BrAun) ;头尾旋转摇床(5～15 转/ min ,自制) ; ES2B10 型计量泵;BSZ2160 改进型自动采样器。

2. 2 余氯溶液配制

用去离子水稀释次氯酸钠溶液作为余氯储备液。余氯使用液(2～15 mg/ L ,以Cl2 计,下同) :用去离子水稀释余氯储备液,用稀H2 SO4调节溶液p H至6. 5～7. 0 ,测定余氯浓度,以此作为实验用余氯溶液。余氯储备液和余氯使用液配制后尽快使用。余氯采用DPD 光度法测定

[11] 177-179

。

2. 3 去除量实验

将20 mg 活性炭(粒径< 180 目) 加入100 mL去离子水中,用磁力搅拌器搅拌,配制成20 mg/ mL炭泥[13 ]114 。余氯初始质量浓度为5 mg/ L 时,分别向8 只反应瓶中加入0 、0.3 、0.6 、1.0 、2.0 、3.0 、4.0 、5.0 mL 炭泥,再加入去离子水使总体积为5 mL ,然后加入35 mL 余氯溶液。余氯初始浓度不同时,可适当调节炭泥、去离子水和余氯溶液的量。置头尾旋转摇床上充分接触2 、5 、8 h ,测定剩余余氯浓度。计算余氯去除量。

W = ( c0 - ct ) ×V / m (5)

式中:W 为单位质量(g) 的活性炭对余氯的去除量,mg/ g ; c0 为余氯初始质量浓度,mg/ L ;

ct为余氯剩余质量浓度,mg/ L ;V 为样品总体积,L ,V = 0. 04 L ; m为样品中活性炭质量,g。以

Freundlich 吸附等温线表征余氯剩余浓度和去除量的关系,绘制在双对数坐标图[12 ]433 。

2. 4 化学反应产物Cl - 检测实验

分别向5 只盛有400 mL 质量浓度为10 mg/ L余氯溶液的烧杯中加入0 、2 、10 、20 、40 mg 煤质炭Ⅰ(粒径< 180 目) ,密封。用磁力搅拌器搅拌使其充分接触16 h ,静置。测定溶液余氯浓度和Cl - 浓度,计算分析Cl - 生成量和活性炭剂量及余氯去除量的关系。Cl 测定采用硝酸银滴定法[16 ]1802182 。

-

2. 5 穿透实验

活性炭对余氯的吸附去除量大,用传统的穿透技术(空床停留时间( EBCT) > 2 min) 耗时太长且浪费资源,故本研究采用了简便、高效的微型炭柱快速穿透(MCRB) 技术[12 ]432 , [17 , 18 ] 。称取一定量120～180 目活性炭,填装到不锈钢穿透柱中,下端以玻璃棉衬托,上端以玻璃珠填充。活性炭去除余氯效率很高,调节计量泵流速将装置的EBCT 控制在5 s左右。进水余氯质量浓度(即初始质量浓度c0 ) 为15 mg/ L 左右,启动自动采样器采集并立即分析出水中余氯浓度(即剩余质量浓度ct ) ,以床层体积数(即处理水量/ 床层体积) 为横坐标、ct / c0 为纵坐标绘制穿透曲线。

3 结果与讨论

3. 1 接触时间的影响

活性炭去除余氯受接触时间、余氯初始浓度、p H 和活性炭材质等因素的影响[19 ] 。图2 为煤质炭Ⅰ、果壳炭、椰壳炭和煤质炭Ⅱ在余氯初始质量浓

图1 接触时间对余氯去除量的影响

度5 mg/ L 、初始p H 6. 5～7. 0 条件下,接触时间为2 、5 、8 h 时的余氯去除量和Freundlich 吸附等温线。余氯去除量随接触时间的增加而增加,但由于存在化学反应使余氯浓度不断下降,变化趋势减低。活性炭去除水中余氯是物理吸附与化学反应共同作用的结果。煤质炭Ⅰ与余氯有较强的化学反应,余氯去除量随接触时间的增加有明显增加;果壳炭也具有高化学性能,余氯去除量随接触时间的增加而增加;椰壳炭和煤质炭Ⅱ的化学性质相对稳定,同样长时间段内(2～5 、5～8 h余氯去除量的增加幅度小得多。

3. 2 余氯初始浓度的影响

在纯粹的吸附过程中,吸附质的初始浓度对吸附容量影响有限,而化学反应的作用在不同初始浓度条件下有较大的差别。化学反应中反应物的初始浓度越高,反应越快,反应程度越大,对反应物的去除量越大。考察了不同余氯初始浓度下,椰壳炭与余氯溶液接触时间5 h 时余氯的去除量,结果见图2 。由图2 可见,在初始p H 6. 5～7. 0 条件下,即便是化学性能较差的椰壳炭对余氯的去除量也随余氯初始浓度的增加而明显增加。