活性炭吸附脫色實驗的改革與實施

王淑勤，陳司晗

(華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，河北 保定 071003)

學(xué)校教學(xué)和實踐鍛煉相結(jié)合的人才培養(yǎng)體系,重視養(yǎng)成學(xué)生的革新能力、科學(xué)創(chuàng)造性思維和敢于克服難題的能力[1]。環(huán)境工程作為華北電力大學(xué)的雙一流建設(shè)專業(yè)，在研究性教學(xué)試點課程《水污染控制工程》的教學(xué)改革已經(jīng)進(jìn)行了五年。為了更好的體現(xiàn)華北電力大學(xué)“研究型、國際化”的辦學(xué)特色，我們對現(xiàn)有的實驗項目進(jìn)行了設(shè)計性改革[2-3]，讓學(xué)生主動參與到實驗教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生運用專業(yè)知識分析問題、解決問題的能力，自主學(xué)習(xí)、探索研究及團(tuán)隊協(xié)作等綜合能力的鍛煉。同時我們也對綜合性實驗—活性炭吸附脫除COD脫色實驗進(jìn)行了全面的考量[4]，找到實驗課程的不足，進(jìn)一步優(yōu)化實驗條件。為此我們主要從以下方面進(jìn)行改革。

1 活性炭對COD吸附性能測定方法的改革

1.1 測試方法的選擇對比

測定COD若用酸性重鉻酸鉀，雖然其優(yōu)點操作簡單，測定的結(jié)果重現(xiàn)性好，但是伴隨的缺點同樣明顯，如：試劑有毒，且用量較多，樣品需求量大，分析結(jié)果時間長[5]。而高錳酸鉀法雖然氧化率在50%左右，但簡便同時避免Cr6+的影響，適合測定污染不嚴(yán)重的水樣和有機(jī)物含量相對比較值時[6]。工業(yè)污水和生活污水含有復(fù)雜的污染物，宜采用重鉻酸鉀法。在綜合考慮能耗、時間、實驗?zāi)康牡纫蛩睾?，高錳酸鉀法測定水中的COD更加適合學(xué)生的實驗。但測定 COD實驗的課程開設(shè)，并不是簡單的讓學(xué)生進(jìn)行測定，而是更加綜合性的與活性炭的吸附性能實驗結(jié)合在一起，其開設(shè)只需要配置好含有有機(jī)物的污水，其余的全部由學(xué)生操作，更加全面鍛煉了學(xué)生。

1.2 吸附質(zhì)的選擇對比

前期實驗選用的測定COD所用污水為苯酚(Phenol，C6H5OH)，有特殊氣味，在進(jìn)行配備時，其常溫下微溶于水的特性也是比較麻煩的一步，由本科實驗學(xué)生做出來的效果也并不是特別出色，而且苯酚存在腐蝕，接觸后可使蛋白質(zhì)變性，其溶液不小心沾到皮膚上也易受傷，實驗過程中的安全是首要問題。經(jīng)過多項對比考慮之后，實驗室將檸檬酸(Citric Acid，C6H8O7)作為測定COD的污水。其無臭，易溶于水，易進(jìn)行配備，且對人身體無害等多項優(yōu)點值得我們將它作為替換材料，最后結(jié)合本科實驗數(shù)據(jù)來看，相對比較之下的替換還是很適合的。

根據(jù)預(yù)實驗的進(jìn)行情況，我們將活性炭的量定為0、100、300、500、700 mg粉狀活性炭在經(jīng)30 min震蕩吸附后測定COD。活性炭的吸附能力以吸附量q表示。

根據(jù)近些年實驗進(jìn)行過程，學(xué)生因為操作不熟練，滴定誤差大，數(shù)據(jù)作圖后得不到理想中的等溫線，計算出的斜率，截距差別很大，得不到預(yù)想中的規(guī)律。通過間歇式活性炭吸附實驗測得q、C一一相應(yīng)之值，將費蘭德利希經(jīng)驗式取對數(shù)后變換為下式：

logq=logK+1/nlogC

(1)

將logq、logC相應(yīng)值點輸入作圖數(shù)據(jù)。如圖1所示。

圖1 粉末活性炭吸附檸檬酸的吸附等溫線

吸附等溫線用于描述吸附劑對吸附質(zhì)的吸附特性[7]?？梢钥闯?，本科實驗學(xué)生采用活性炭對檸檬酸的等溫吸附數(shù)據(jù)采用Freundlich方程的擬合度是比較高的，對于初次實驗，得到這樣的數(shù)據(jù)結(jié)果是值得肯定的。

2 活性炭吸附材料的試探

在實驗過程中，在現(xiàn)有實驗基礎(chǔ)上又增加了實驗的創(chuàng)新性，讓學(xué)生在活性炭吸附性能測定中，更加全面的可以從活性炭投加量，活性炭粒度，不同種類活性炭等因素對吸附實驗的影響認(rèn)識，然后將其實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，可更加深刻的認(rèn)識到吸附的機(jī)理過程，從而加強(qiáng)對實驗?zāi)康谋旧淼恼J(rèn)識。

所測COD污水仍為檸檬酸，將粉末狀活性炭換為細(xì)狀活性炭和粗狀活性炭，創(chuàng)新點是將其置入過濾柱內(nèi)(柱直徑3.2 cm)，靜置一個小時后，放出，測其COD。其中將粒狀活性炭按不同高度裝在四根過濾柱當(dāng)中，前三根過濾柱用同一種細(xì)粒狀活性炭材料，但高度依次不同。最后一根過濾柱用粗粒狀活性炭，但高度與最高的粒狀活性炭同高。

2.1 活性炭投加量與檸檬酸去除率的關(guān)系

活性炭投加量與檸檬酸去除率的關(guān)系曲線(初始所測COD污水濃度在0.2g/L左右)如圖2、圖3所示。

圖2 投加量對COD去除的影響

圖3 投加量(高度)對COD去除的影響

由圖2可以直觀的得出，COD的去除效率在所設(shè)計的條件下，總體上與活性炭投加量成正比。COD脫除效率在初始狀態(tài)增長較快，隨著活性炭投入量的增加，脫除效率坡度變緩,但從整體的效果來看，活性炭對檸檬酸還是有很好的去除率。0.7 g的活性炭就可以使檸檬酸的去除率達(dá)到近60%，若要繼續(xù)增加投加量還可達(dá)到更高的去除率，但若對活性炭吸附量進(jìn)行研究，即單位質(zhì)量的吸附劑所吸附的物質(zhì)質(zhì)量，則沒必要進(jìn)行大梯度的實驗。

由圖3整體來看，COD的去除率為上升狀態(tài)，其中結(jié)合圖2的去除效果來看，學(xué)生能直觀的觀察到，粉末狀和粒狀活性炭的吸附性能差距較大。從而在實驗對比中加強(qiáng)了對不同粒度活性炭吸附性能的認(rèn)識。

2.2 活性炭類型的吸附性能比較

活性炭因其不同的孔型、孔徑分布、表面官能團(tuán)分布、灰份組成和含量而表現(xiàn)出不同的吸附特性[8]。將不同類型的活性炭進(jìn)行對比，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析比較他們的吸附特點。初始濃度為0.2 g/L的檸檬酸溶液，在投加等高度(32.0 cm)的不同材質(zhì)活性炭于過濾柱中，然后再向柱中加入160 mL的檸檬酸，靜置1 h。所得實驗數(shù)據(jù)結(jié)果COD煤質(zhì)碳去除率為12%，木質(zhì)碳去除率為61%。

學(xué)生分析數(shù)據(jù)，可知兩種材質(zhì)的活性炭對檸檬酸的吸附效果有很大的區(qū)別，木質(zhì)活性炭對檸檬酸的吸附效果更好，在靜置1 h情況下，去除率可以達(dá)到60%多。煤質(zhì)活性炭對檸檬酸的去除率在10%左右，去除率比較低。在比較之下，學(xué)生可從數(shù)據(jù)中明顯的得出木質(zhì)活性炭是比較理想的吸附檸檬酸的材料。

通過這幾組的實驗數(shù)據(jù)分析比較后，學(xué)生對活性炭的吸附性能的影響因素有了更加深入的了解，并對吸附機(jī)理的理解更加透徹，提高了學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)結(jié)果對比分析的能力。

3 活性炭對色度去除實驗方法的改革

3.1 脫色廢水種類的選擇對比

亞甲基藍(lán)是水溶性偶氮染料的代表性化合物，含有這種染料的印染廢水高度污染并且難以生物降解?；钚蕴勘缺砻娣e大，孔結(jié)構(gòu)豐富，吸附能力強(qiáng)，表面化學(xué)性質(zhì)多樣等特性，適合于處理含有染料，重金屬等廢水[9-10]。與其他處理方法相比，吸附法具有工藝簡單，可操作性強(qiáng)，吸附劑種類多，無二次污染等優(yōu)點，在處理污水污染物是一種有效的方法[11]。

但亞甲基藍(lán)在前幾次實驗過程中，也存在些許不足。由于亞甲基藍(lán)印染性很強(qiáng)，在配置過程、實驗過程、后續(xù)處理過程中都極易對所接觸物體進(jìn)行染色。這就對實驗的進(jìn)行造成不便。而改用番紅花紅T之后，情況明顯改觀，尤其是在實驗儀器清洗方面，在盛放紅色顏料后，儀器的清洗顯著比盛放亞甲基藍(lán)容易。

3.2 活性炭投加量與色度去除關(guān)系

由圖4可知，在所設(shè)計的實驗條件下，廢水的色度去除效果還是很明顯的，在活性炭投加量為0.1 g時，色度的去除率就達(dá)到了80%。但后期隨著投加量的增加其去除率的增長速率下降明顯，實驗整體的去除率保持在90%左右。實驗的對比使實驗學(xué)生認(rèn)識到當(dāng)投加量達(dá)到一定量時，再增加投加量對脫色效率的影響意義不是很大，所以學(xué)生會清楚的明白一個吸附劑使用存在一個最經(jīng)濟(jì)、最合適的投加量，使得成本與脫除效率都能達(dá)到一個很高的水平，而這個投加量的控制是值得學(xué)生關(guān)注的。

圖4 活性炭投加量對色度去除的影響

4 結(jié)語

只有經(jīng)過反思的教學(xué)，才是更有效的教學(xué)。教學(xué)改革不是紙上談兵，要與實踐相結(jié)合。老師、學(xué)生積極參與教學(xué)改革，共同在課改中不斷的學(xué)習(xí)、不斷的實踐、不斷的反思。在該教學(xué)改革中不僅提高了學(xué)生的參與性和積極性，更加深了對實驗課程本身的深刻理解和實踐運用。經(jīng)過一系列改革后，不僅按要求達(dá)到了實驗鍛煉學(xué)生分析問題和解決問題的能力的目的，最后通過一系列的數(shù)據(jù)成果還使培養(yǎng)了學(xué)生對比分析，理論聯(lián)系實際，更加深刻的理解活性炭吸附實驗的相關(guān)知識。