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1、本 科 毕 业 论 文题目：活性炭吸附法处理二甲基乙酰胺废水研究 学生姓名： 学 号： 专业班级：环境工程08-2班指导教师： 2012年 6 月 10 日 摘 要本论文以一定浓度二甲基乙酰胺废水（COD约1600mg/L）为对象，系统地研究活性炭投加量、操作温度、反应时间、原水pH及原水浓度对吸附效果的影响，确定最佳反应条件，并对该吸附过程进行热力学和动力学模拟。研究结果表明：活性炭投加量40g/L，操作温度298K，反应时间2h，原水pH=7为最佳反应条件，且该条件下原水COD去除率达85.30%；随原水浓度的增加，活性炭对COD的吸附量增加，COD去除率降低。活性炭对二甲基乙酰胺废水的吸
2、附过程适合用Freundlich方程描述，吸附动力学符合伪二级动力学模型。 关键词：活性炭；吸附；二甲基乙酰胺废水；有机污染物ABSTRACTThe DMAC wastewater whose concentration of COD was about 1600 mg/L was studied in this paper. This study examined the influence of AC does, temperature, time, pH and the initial concentration during the adsorption process, and th
3、us determined the best operate conditions. Then the study focused on the sorption kinetics and equilibrium sorption isotherms of the process. The results showed that when the dose of AC is 40g/L, the initial pH is 7, 85.30% of COD could be removed after 2h of agitation at 298K. Further more, the ads
4、orption of COD onto AC was enhanced with an increase of initial DMAC concentration，however，the COD removal rate decreased. The Freundlich gave a better fit to all adsorption isotherms than Langmuir, and the kinetics of adsorption of COD from DMAC wastewater onto AC was fit to the pseudo-second order
5、 model. Keyword：Activated carbon; Adsorption; DMAC wastewater; Organic pollutants目 录第1章 前言11.1课题的来源及背景11.1.1 二甲基乙酰胺的性质11.1.2 二甲基乙酰胺的用途21.2国内外研究现状21.2.1 生物法21.2.2 化学法31.2.3 物理化学法41.3研究的目的及意义81.4主要研究内容及技术路线81.4.1 研究内容81.4.2 技术路线91.4.3 技术路线9第2章 实验部分102.1 实验材料102.1.1 实验药品102.1.2 实验仪器102.2 实验原理102.3 实验方法
6、102.3.1 活性炭预处理102.3.2 模拟废水的制备112.3.3 水样COD的测定11第3章 实验结果及讨论123.1 活性炭投加量对废水处理效果的影响123.2 温度对废水处理效果的影响133.3 吸附时间对废水处理效果的影响143.4 原水pH对废水处理效果的影响143.5 原水COD浓度对废水处理效果的影响153.6 热力学吸附等温线参数模拟163.7 吸附动力学参数模拟173.8 本章小结19第4章 实验结论与建议20致 谢21参考文献22第1章 前言第1章 前言1.1 课题的来源及背景中空纤维膜具有比表面积大，装填密度高，耐压性好等优点，广泛应用于膜分离领域：如处理含油回注水
7、和印染行业的退浆废水、中水回用、海水淡化1、提纯食品、医药以及环境保护等方面。中空纤维膜主要采用干-湿法纺丝工艺2制备，其主要生产流程为溶剂溶解-脱泡-纺丝-脱溶剂-溶剂回收。其中，二甲基乙酰胺（DMAC）是生产中空纤维膜的重要反应溶剂，它具有溶解度高、沸点高、产品性能好的特点。二甲基乙酰胺作为反应过程的优良有机溶剂，产生大量的含二甲基乙酰胺废水，质量分数一般在20%35%，COD值较高，且与水以任意比例互溶，同时，二甲基乙酰胺毒性大，且在工业生产中用量大3，因而在生产、使用和处置过程中，任意排入水体会对水质环境造成很大的影响，危害人类健康。因此，进行中空纤维膜生产中二甲基乙酰胺废液的回收和处
8、理研究对于进行环境保护及降低企业的生产成本等方面都具有重要的意义。在二甲基乙酰胺废液进行回收时，如果有一部分二甲基乙酰胺未回收完全，形成二甲基乙酰胺废液，这些废液回收难度大，直接排放会造成环境污染。因而，需要对其进行进一步处理，从而达到保护环境，废水减量化资源化的目的。1.1.1 二甲基乙酰胺的性质二甲基乙酰胺，即N,N-二甲基乙酰胺。英文名称为N,N-Dimethylacetamide（缩写为：DMAC或DMA），又名醋酸二甲基胺、乙酰二甲胺4，分子式为CH3CON(CH3)2，分子量为87.12，熔点为-20，沸点为164166（760mmHg），闪点（开）为70，燃点为490，比重为0.
9、9429(20/4)，折射率为1.43734。二甲基乙酰胺是一种无色透明液体，可以与多种有机溶剂混合，如醇、酮、醚、酯等。相对于“万能溶剂”二甲基甲酰胺而言，由于二甲基乙酰胺在分子结构中引入乙基，它具有更好的热稳定性和化学稳定性。二甲基乙酰胺在沸点不分解，在水溶液中比较稳定，但有时会因酸和碱的存在而分解。二甲基乙酰胺生理毒性显著，可经皮肤吸入人体，可强烈刺激人的皮肤，眼睛，呼吸道粘膜，长期接触二甲基乙酰胺会危害人的心、肝、肾脏、血管、神经系统等。所以，在使用二甲基乙酰胺时必须穿戴好防护用品，如果不慎接触皮肤，应用大量清水冲洗5。二甲基乙酰胺具有很强的毒性，鼠类口服LD为5.4mg/kg，各国都
10、限定了工作场所空气中的二甲基乙酰胺含量，我国规定车间空气中二甲基乙酰胺的最高允许浓度为10mg/m3。二甲基乙酰胺可燃，要远离火源，应密闭存放在干燥、通风的避光处。在使用时应注意轻取轻放。1.1.2 二甲基乙酰胺的用途二甲基乙酰胺是一种优良的极性溶剂。相对于二甲基甲酰胺，它具有热稳定性高，毒性小，腐蚀性低等特点，可以代替二甲基甲酰胺。同传统有机溶剂相比，它作为溶剂或催化剂，可提高产品的质量和收率，它的用途非常广泛6，主要有以下几方面：（1）高分子有机合成：二甲基乙酰胺作为溶剂广泛的应用于橡胶、树脂、纤维生产中。（2）医药和农药生产：二甲基乙酰胺已广泛用于多种抗菌素药品的生产，目前更是应用于多种
11、新药品的合成，例如生产奈非西坦、乙丙昔罗、雷诺嗪等药物，是重要的医药原料。在农药上应用于合成农药杀虫剂等。（3）石油化工：二甲基乙酰胺作为催化剂的一种，广泛应用于石油化工中，它可以有效提高反应过程中卤化、氰化、烷基化、环化和脱氢的速度，提高产物收率。（4）腈纶生产：腈纶的生产方法主要有二甲基甲酰胺一步法、硫氰酸钠二步法以及二甲基乙酰胺有机湿法，其中以二甲基乙酰胺为溶剂的湿法工艺比较具有发展前景。（5）有机颜料：二甲基乙酰胺常作为溶剂用于有机颜料的生产中，可以取得令人满意的生产效果。（6）其他方面：二甲基乙酰胺可作为萃取蒸馏溶剂用于分离C8馏分中的苯乙烯，可作为溶剂用于抽提C4中的丁二烯，作为溶
12、剂制作细菌纤维素纳米棒阵列等7。1.2 国内外研究现状目前处理高浓度、难降解有机废水的方法很多，总体可以分类为：生物处理法、物理处理法、物理化学处理法和化学处理法。由于各类方法的作用机理不同，因此，在处理成本、效果和应用范围上存在一定差异。针对不同高浓度、难降解有机废水的特性，采用不同的处理方法就成为有效控制水污染的前提之一。1.2.1 生物法生物处理法是利用微生物代谢作用，使废水中的有机污染物和无机微生物营养物转化为稳定、无害的物质。生物处理是废水净化的主要工艺，其具有经济可行、无二次污染等特点，主要用于处理农药、印染、制药等行业的有机废水。生物处理高浓度难降解有机废水的主要方法有好氧生物、
13、厌氧生物、生物膜法、酶生物处理技术以及发酵工程等。王国威8等研究发现，组合填料膜A/O工艺对含DMAC的腈纶废水具有较好的处理效果，随着停留时间的延长，COD去除率逐渐提高，并能达到60%以上，对TOC的去除率也可到60%以上，对BOD5的去除率可到90%以上，对特征污染物DMAC和丙烯腈的去除率接近100%。生化法工艺成熟，运行成本低，是废水处理中应用最广的方法。以生化处理为主体的高浓度难降解有机废水综合处理具有应用范围广、设备简单、处理能力高、比较经济等特点。但是，由于工业废水污染物组成复杂，高浓度难降解有机废水中的有害物质使得微生物无法正常工作，甚至中毒死亡。因此，生化法常常难以直接运用
14、，需要经济快速的预处理方法。1.2.2 化学法化学处理法是利用化学原理和化学作用使废水中的污染物成分转化为无害物质，使废水得到净化的方法。其单元操作过程有焚烧法、化学氧化法和高级氧化法等。焚烧法是利用燃料油、煤等助燃剂将有机废水单独或者和其它废物混合燃烧，将其中的有机物转化为水、二氧化碳、碳酸盐等无害物的方法。焚烧法的优点是效率高、速度快，可以一步将废水中有机物主体彻底转化为二氧化碳和水；缺点是设备一次投资大、能耗大和处理成本高，且有机物焚烧后产生的烟气和飞灰会对环境造成二次污染，需进一步处理。化学氧化法是通过氧化还原反应，将废水中的有机物分解为小分子有机物以及无机物的方法。化学氧化法分为两大
15、类，一类是在常温常压下利用强氧化剂(如过氧化氢、高锰酸钾、次氯酸盐、臭氧等)将废水中的有机物氧化成二氧化碳和水；另一类是在高温高压下分解废水中有机物，包括超临界水氧化和湿空气氧化工艺，所用的氧化剂通常为氧气或过氧化氢，一般采用催化剂降低反应条件，加快反应速率9。化学氧化法既可作为单独的处理方法，也可与其它处理方法结合联用，以达到最佳处理效果。目前高浓度有机废水的化学处理是一个非常活跃的研究领域，针对不同类型的废水处理新方法不断涌现，其中尤其以高级氧化技术最为引人注目。高级氧化技术（Advanced Oxidation Processes，简称AOPs)，又称深度氧化技术，是指通过化学和物理化学
16、(光照、电、声、催化剂、氧化剂等)的方法使污水中的污染物直接矿化为CO2、H2O或无机矿物盐等无机物，或将其转化为低毒、易生物降解的中间产物。目前国内外主要采用高级氧化法进行深度处理或生物预处理。祁萍等10利用Fenton法对印制线路板高浓度废水进行了处理，实验表明在合适的条件下，COD的去除率达到99%以上，可以实现对该种废水的彻底无害化处理，且该方法具有工艺简单、易于操作的优点。1.2.3 物理化学法物理处理法是指应用物理作用改变废水成分的处理方法，如沉降、过滤、均化、气浮等单元操作。物理处理法设备简单、操作简便，但它仅能去除废水中粒径较大的悬浮颗粒，不能去除废水中的溶解性污染物。物理化学
17、处理法是指废水中的污染物在处理过程中通过相转移的变化而达到去除目的的处理技术。常用的处理方法有:萃取、精馏、吸附、膜技术、离子交换、混凝等11。1.2.3.1 萃取法萃取法一般分为物理萃取和化学萃取两种。利用污染物质在水中或与水不互溶的溶剂中有不同的溶解度进行分离，通常称为物理萃取；但若溶剂和废水中的某些组分形成络合物而进行分离，常称为化学萃取或络合萃取。萃取法处理高浓度有机废水，不仅具有设备投资少、操作简便等优点，而且能使主要污染物有效回收利用；萃取法的缺点是萃取只是一个污染物的物理转移过程，而非真正的降解，被萃取的有机物和萃取后废水需要进一步处理，而且有机溶剂还可能造成二次污染。因此，这种
18、方法主要适用于处理有回收价值的有机物。朴香兰等12采用萃取法处理化纤废水中的DMAC，结果表明：经六级错流萃取萃取率可达到99%以上，经8级逆流萃取后废水中的DMAC浓度可降到200mg/L以下。林泉等13对低沸点萃取剂处理和回收含二甲基乙酰胺（DMAC）废水的可行性及工艺条件进行了研究，经研究表明，在常温2035时，用氯仿萃取二甲基乙酰胺，当溶剂与水相体积比为21时，经六级逆流萃取，可将废水中20%的二甲基乙酰胺含量降至300mg/L以下。同时发现，废水的pH值对萃取效率有明显的影响，当废水的pH值较大，即偏碱性时对萃取有利。 高杰14对聚醚砜中空纤维膜生产中DMAC废液进行回收与处理研究发
19、现，多级逆流萃取法适合于回收10%30%的DMAC废液，间歇精馏法适合于回收浓度高于30%的DMAC废液，而Fenton试剂氧化法适合处理浓度低于0.5%的DMAC废液。1.2.3.2 精馏法精馏法是化工生产中分离两种沸点不同物质组成的混合液体的常用方法，它是利用气液两相的传质和传热来达到分离的目的。其缺点是精馏法耗时长，耗能高。刘明晶15对比了萃取和精馏两种方法回收二甲基乙酰胺，指出精馏法费时长，耗能高，而且在长时间的蒸馏中，少量的DMAC分解成二甲胺，造成浪费。因此，提出了一种萃取-分馏的方法，试验发现四级错流萃取和五级逆流萃取的萃取率在99%以上；采用五级逆流萃取，可将萃余液中的DMAC
20、的浓度降300mg/L以下。但是，此方法仍然存在成本过高的问题。在纤维成型的过程中产生大量的含二甲基乙酰胺的废液，其中含3545%DMAC，目前的处理方法是蒸发+精馏，通过此工艺过程将高浓度废水中的二甲基乙酰胺(DMAC)回收，但DMAC浓度为5%的废水如果用精馏的方法，则其能耗巨大，而如果直接排放将污染环境，而且造成资源的浪费。尤其在扩大生产能力的需求下，选用能耗低、溶剂回收更彻底的回收方法显得尤为重要。1.2.3.3 吸附法吸附是一种与表面能有关的表面现象，当吸附能力达到饱和后需要进行再生的处理费用往往较高，如果废水的污染物浓度很高，吸附剂很快达到饱和，使再生周期变短，所以吸附法常用于处理
21、小水量、低浓度废水的深度净化处理或其他方法难处理的有毒有害物的去除。废水的吸附法处理，主要是指利用固体吸附剂的物理吸附和化学吸附性能，去除或降低废水中的多种污染物质的过程。固体吸附剂能有效的去除废水中多种污染物，特别是采用其它方法难以有效处理的剧毒和难降解的污染物，经处理后出水水质好且比较稳定, 因而吸附法在废水处理中有着不可取代的作用。随着排放标准的日趋严格、水资源回收利用的日益迫切，吸附法在废水处理中的作用将越来越重要16。高超等17，认为吸附法属于物理去除法的一种，是利用吸附剂吸附废水中某种或几种污染物，以便回收或去除它们，从而使废水得到净化的方法。吸附法处理含酚废水时具有处理效果好、可
22、回收有用物料以及吸附剂可重复使用等优点，因此随着现有吸附剂性能的不断完善以及新型吸附剂的研制成功，吸附法在有机废水处理中的应用前景将更加广。李志刚等18先用明矾作为混凝剂预处理DDNP废水，再用四级串联活性炭吸附塔对废水进行进一步的处理，处理后废水的COD、色度和总硝基化合物等都明显降低，1吨废水的处理费用大概是42元，一般每两个月更换一次活性炭。宋晓敏等19用自制的粉煤灰预处理DDNP废水，实验结果表明：当实验温度为30，废水的pH值为9，粉煤灰的投加量为40g/L时，废水的COD和色度处理后分别降低54%、90%以上。目前应用较多的为活性炭吸附，活性炭是一种经济且来源广的吸附催化剂，具有特
23、定的表面化学性质、复杂的孔隙结构和大的比表面积，因而具有较好的吸附性能。在含酚废水处理领域是最常见的吸附剂。活性炭的主要元素是碳，其次是氧和氢。氧和氢的存在对活性炭的吸附性能及其他特性有较大影响，这些元素多以化学键与碳原子相结合，在活性炭表面上形成多种含氧官能团：酸性官能团、中性官能团和碱性官能团，这也是活性炭主要的活性基19, 22。活性炭本身具有很强的物理吸附和化学吸附能力，它对某些非极性的有机物具有很强的吸附作用，而对水的吸附能力较弱，可以通过活性炭吸附的方法来进行废水的深度处理。它具有吸附性能好、处理效率高、操作费用低等优点。目前活已应用于处理含铬、含氰、含汞、含酚、含甲醇废水并应用于
24、炼油厂废水的深度处理中。刘成波等23采用活性碳吸附法降低废纸造纸废水进行了研究，试验结果表明：采用粉状活性炭作为吸附剂，在其用量为6.27.6g/L、吸附时间1h条件下，可将经混凝法处理后的废纸造纸废水( pH值为6.5 6.8，水温为1832，COD为280320mg/L)中的COD降至100mg/L以下，处理后出水的COD达到了国家排放标准。P Girodsa等20使用碎木板废弃物制作活性炭来处理含酚废水。最大吸附容量可以达到0.5gg-1。碎木板废料很廉价，用其处理含酚废水具有巨大的经济价值。Kunwar P Singh21等利用农业废料椰子壳制作活性炭（SAC），并对其进行化学处理制得
25、改性后的活性炭（ATSAC）。实验表明，25时SAC和ATSAC对苯酚的最大吸附容量分别为0.36、0.53 molg-1。吸附等温线可以被Langmuir和Freundlich模型拟合。L John Kennedy22利用廉价的米糠制了多孔活性炭，经磷酸活化以及化学活化后应用于吸附水中的苯酚。实验结果指出，在一定条件下（pH为2.7，20），该活性炭对苯酚的吸附容量可达2.3510-4 molg-1。吸附等温线能够很好的用Langmuir和Freundlich模型拟合。汤烜等23采用单一活性炭处理法，单一Fenton处理法及活性炭-Fenton试剂联合处理法对头孢噻肟钠模拟废水进行了处理研究
26、。采用这3种方法处理时，废水CODcr去除率分别为52.6%、42.7% 和87.6%。可见，采用活性炭-Fenton试剂联合处理头孢噻肟钠模拟废水，可获得较好的处理效果。高赛男等24采用颗粒活性炭（GAC）对经胜利油田乐安联合处理站“隔油-混凝-过滤”和水解酸化-好氧生物工艺处理后的采油废水进行吸附研究，考察了GAC对生物处理出水COD（7080mg/L）的去除效果。结果表明：温度35，时间为2h时，GAC静态吸附生物处理出水（pH8.09.0），COD的去除率可达50%。动态吸附操作的过水流速为15m/h、接触时间19.296min时，吸附处理出水COD低于60mg/L，可以达到标排放要求
27、。当体积速度小2.0m3/(m3h)时，过水流速变化对实际处理水量和单位炭吸附COD 量影响不大，可作为吸附塔工程设计的参数。GC/MS分析结果表明，GAC对生物处理出水中的卤代烃、杂环化合物及羧酸衍生物去除效果较好，卤代烃主要污染物的去除率可达80%以上，出水中的主要有机成份为大分子有机酸。由有机概念图判断，被吸附的主要物质为憎水的非极性有机物。马占有等25分别从孔隙结构、表面化学性质、灰分及吸附环境等方面，分析了活性炭吸附性能的影响因素，为活性炭的选型提供参考；介绍了活性炭制备及再生方法，并指出电化学再生法和干法催化氧化法是活性炭再生的发展方向。1.2.3.4 混凝法混凝是向废水中投加一定
28、量的混凝剂，通过混凝剂离解、水解产物的作用使水中的溶质、细小悬浮颗粒和胶体微粒聚集成较粗大的颗粒脱稳并凝聚为具有可分离性的絮凝体的过程。混凝法是目前世界上应用最广泛、最经济、效率最高的水处理技术之一。它既可以有效降低废水的浊度、色度等感官指标，又可以去除废水中的多种高分子物质、有机物、某些重金属毒物（镉、汞、铅）和放射性物质等，还可以去除氮和磷等导致水体富营养化的可溶性有机物。混凝剂按其化学成分可分为无机、有机（有机类常称为混凝剂）和微生物三大类；近年来，又开发出一些新型多功能复合药剂，诸如介于无机和有机之间的混合型、复合型混凝剂。常用的混凝剂则有硫酸铝、聚合氯化铝、硫酸亚铁、三氯化铁等。陈双
29、26用混凝沉淀-氧化法处理DDNP生产废水，其中的混凝预处理实验结果表明：在废水pH值为58，PAC的投加量为1%时，快速搅拌溶液2分钟，然后再慢搅15分钟，静置后废水的硝基化合物去除率可达45%左右。牛菲菲27对DDNP废水进行混凝预处理时取得较为明显的效果。处理后DDNP废水由棕红色变成浅棕色，处理后废水的各项指标为：COD为2040mg/L，去除率为50.96%；色度为5000倍，去除率为80%。混凝法具有工艺简单、操作方便、设备投资少、净水剂便宜、间歇或连续运行均可等优势，因此在废水处理中获得广泛应用。混凝法作为独立的处理过程，虽有一定的处理效果，但通常处理后的废水达不到排放标准，因此
30、，该法通常要与其它废水处理方法配合使用。1.3 研究的目的及意义二甲基乙酰胺（DMAC）是中空纤维膜生产过程中的一种重要反应溶剂，能产生巨大经济利益，但与此同时该工艺伴随产生了大量含高浓度二甲基乙酰胺的难降解有机废水，严重影响企业周边的水域环境和人们生命健康。因此，如何有效地回收和处理目标废水，对环境保护和降低企业生产成本方面都具有重要的意义。近几年，相关学者专家致力于研究有效处理含高浓度二甲基乙酰胺废水的方法，通过生物、物理化学和化学等方法的单一或组合形式，对难降解有机废水进行处理，以实现处理后的废水能达到排放标准。本实验的研究目的及意义在于，利用活性炭的优良吸附性能，对一定浓度的二甲基乙酰
31、胺废水（COD约1600mg/L）进行处理，研究考察活性炭吸附的最佳反应条件以及在该条件下的吸附效果，为物理化学法处理高浓度二甲基乙酰胺废水提供理论基础和技术支撑。1.4 主要研究内容及技术路线1.4.1 研究内容本实验以一定浓度二甲基乙酰胺废水（COD约1600mg/L）为研究对象，采用颗粒活性炭作为吸附剂进行吸附进行处理，主要包括两方面的内容：（1）分别考察活性炭投加量、原水pH、操作温度、吸附时间和原水初始COD浓度对废水COD去除效果的影响，确定其最佳反应条件，并计算在该条件下对COD的去除率。（2）在实验基础上，考察活性炭吸附二甲基乙酰胺废水的热力学及动力学特征，并分别对吸附等温线和
32、动力学方程进行模型拟合。1.4.2 技术路线一定浓度的二甲基乙酰胺废水对废水进行吸附处理，考察一下各种影响因素活性炭投加量原水pH操作温度原水初始浓度吸附时间确定最佳反应条件，考察处理后废水的COD的去除率，并研究其热力学及动力学特征1.4.3 技术时间安排路线2012年2月20日2012年3月4日：查阅文献，写出文献综述和开题报告。2012年3月5日2011年3月14日：准备实验所需仪器及药品，组装实验装置。2012年3月15日2012年5月20日：通过实验考察反应中各影响因素，确定最佳反应条件。2012年5月21日2012年5月31日：整理完善实验数据，研究吸附过程热力学及动力学特征。20
33、12年6月1日2012年6月20日：完成毕业论文的撰写，准备毕业论文答辩。23第2章 实验部分第2章 实验部分2.1 实验材料2.1.1 实验药品实验中所用药品见表2-1。表2-1 实验中所用的化学药品序号药品名称药品规格生产厂家1二甲基乙酰胺化学纯国药集团化学试剂有限公司2硫酸银分析纯国药集团化学试剂有限公司3重铬酸钾优级纯北京市红星化工厂4浓硫酸分析纯南京化学试剂有限公司5硫酸亚铁铵分析纯上海实验试剂有限公司6邻菲啰啉分析纯国药集团化学试剂有限公司7浓盐酸分析纯南京化学试剂有限公司8颗粒状活性炭分析纯南京化学试剂有限公司2.1.2 实验仪器实验中所用主要仪器见表2-2。表2-2 实验中所用
34、的仪器序号仪器名称仪器型号生产厂家1水浴恒温振荡器SHY-2A金坛市医疗仪器厂2pH计PHS-3C上海精密科学仪器有限公司3电子万用炉DK-98-天津市泰斯特仪器有限公司4电子天平LDZX-40A梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司5微波密封消解COD速测仪WMX汕头市环海工程总公司制造2.2 实验原理利用活性炭所特有的物理吸附和化学吸附能力，以及对非极性有机物的强烈吸附作用，对废水中的二甲基乙酰胺进行深度吸附，达到处理废水的目的。2.3 实验方法2.3.1 活性炭预处理实验时先将活性炭用0.1M的盐酸溶液浸泡24h，用蒸馏水洗涤至中性，并用105烘箱烘干，然后置于马福炉中氮气氛围下于650焙烧
35、6h，放置冷却后备用。2.3.2 模拟废水的制备模拟废水制备方法：在500mL容量瓶中加入1.2g二甲基乙酰胺(DMAC)溶液，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀，即得质量分数为0.24%的DMAC水样，COD值约为1600mg/L。2.3.3 水样COD的测定（1）主要试剂消解液（重铬酸钾溶液），试亚铁灵指示液，硫酸亚铁铵溶液，硫酸硫酸银催化剂，蒸馏水。（2）测定步骤 取5.00mL水样置于消解罐中，准确加入5.00mL消解液和5.00mL催化剂，摇匀。旋紧密封盖，注意使消解罐密封良好，将罐均匀置放入消解炉玻璃盘上。样品的消解时间取决于盘上放置的消解罐数目。具体见表2-3。表2-3 消解时间设定表消解
36、罐数目3456789101112消解时间(min)5678101112131415 将反应液转移到250mL锥形瓶中，用蒸馏水冲洗消解罐帽23次，冲洗液并入锥形瓶中，控制体积约为30mL，加入四滴试亚铁灵指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液回滴，溶液的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点。记录硫酸亚铁铵标准溶液的用量，计算出COD值。计算： (2-1)式中：空白消耗硫酸亚铁铵量(mL)； 水样消耗硫酸亚铁铵量(mL)； 水样体积(mL)； 硫酸亚铁铵溶液的浓度(mol/L)； 8氧(1/2 O)摩尔质量(g/mol)。第3章 实验结果与讨论第3章 实验结果及讨论本实验以一定浓度二甲基乙酰胺废水（COD约
37、1600mg/L）为研究对象，采用颗粒活性炭作为吸附剂进行吸附进行处理，分别考察活性炭投加量、原水pH、操作温度、吸附时间和原水初始COD浓度对废水COD去除效果的影响，确定其最佳反应条件。3.1 活性炭投加量对废水处理效果的影响 为了研究活性炭投加量与废水处理效果之间的关系，本试验取9个150mL锥形瓶，向每个烧瓶中加入50mL模拟废水（COD约1600mg/L），pH为7，分别加入0.5g，1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g备用活性碳，再将全部锥形瓶放在摇床中，操作温度为298K，振荡摇晃2h。反应完成后，将各锥形瓶中废水过滤，测定原废水和各滤液的COD，计算COD的去除率，
38、以投加量为横坐标，COD去除率为纵坐标，反映298K条件下投加量与COD去除效果的关系，见图3-1。图3-1活性炭投加量与COD去除率的关系从图3-1可以看出，随着活性炭投加量的增加，水样COD去除率随之提高。当投加量小于40mg/L时，不同温度下COD去除率增加迅速；当投加量为40g/L时，不同温度下COD去除率高达85.30%，随后增长趋势平缓。考虑到活性炭成本问题，且选投加量为40g/L时，废水处理效果较好，故试验取投加量为40g/L作为废水处理的最适活性炭投加量。3.2 温度对废水处理效果的影响为了研究温度与废水处理效果的关系，本试验取9个150mL锥形瓶，分别加入50mL模拟废水（C
39、OD约1600mg/L），pH为7，然向每个烧瓶中加入0.5g，1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g备用活性碳，将全部锥形瓶放在摇床中，操作温度分别为298K、313K和333K，振荡摇晃2h。分别将各锥形瓶中废水过滤，测定原废水和各滤液的COD，计算COD的去除率，以温度为横坐标，COD去除率为纵坐标，反映温度对废水处理效果的影响，见图3-2。图3-2温度与COD去除率的关系从图3-2分析可得，相同活性炭投加量条件下，随着操作温度的升高，活性炭吸附效果越好，COD去除率越高。在投加量40g/L条件下，COD去除率在298K时为85.30%。333K时高达89.46%。根据试验结果
40、分析，活性炭对二甲基乙酰胺的吸附主要为化学吸附过程，溶液温度的升高不仅增大了废水中有机物分子的动能，同时引起活性炭内部微孔扩张，从而提高了吸附容量28。但是考虑到运行成本和操作安全问题，选取298K（常温）条件为最佳反应温度。3.3 吸附时间对废水处理效果的影响选用500mL锥形瓶，加入20.0g备用活性炭，然后加入500mL模拟废水（COD约1600mg/L），pH为7，将锥形瓶置于摇床中，298K条件下，分别在5、10、15、30、45、60、90、120、180min时取出水样10mL，将取出的水样过滤。在313K、333K条件下重复以上步骤。测定原废水和各滤液的COD，计算COD的去除
41、率，以时间为横坐标，以COD去除率为纵坐标，反映吸附时间与废水处理效果的影关系，见图3-3。图3-3 不同温度条件下吸附时间与COD去除率的关系从图3-3分析可得，在298K温度条件下，活性炭对二甲基乙酰胺废水的吸附反应在120min时，COD去除率可达85.02%，可认为达到吸附饱和。313K和333K温度条件下，120min时COD去除率分别高达86.97%和87.17%。根据实验结果分析，选取120min为吸附法处理二甲基乙酰胺废水的最佳反应时间。3.4 原水pH对废水处理效果的影响取5个150mL锥形瓶，分别加入50mL的模拟废水（COD约1600mg/L），适量加入盐酸溶液和NaOH
42、溶液，分别将pH值调节为2、4、7、9、12，分别加入2.0g备用活性炭，将所有锥形瓶置于摇床中，在298K条件下，振荡摇晃2h。反应完成后，将锥形瓶中废水过滤，测定原废水和各滤液的COD，计算COD的去除率，以pH为横坐标，COD去除率为纵坐标，反映pH与活性炭吸附效果之间的关系，见图3-4。图3-4 pH与废水处理效果之间关系从图3-4分析可得，pH=2时吸附效果最好，COD去除率可达88.90%。实验结果分析，酸性条件下活性炭对二甲基乙酰胺的吸附效果更好，这可能是由于pH对二甲基乙酰胺的溶解度有一定的影响，从而导致吸附量增大。但是由于模拟废水组分单一，对化合物溶解度和离解度影响不显著29
43、，pH=7时，COD去除率可达85.90%之多。考虑到调节废水pH，需要人力投加盐酸溶液并混合，耗时耗力耗钱，且效果不明显，所以选取pH=7为最佳吸附pH。3.5 原水COD浓度对废水处理效果的影响分别配置不同COD浓度（DMAC含量分别为0.07%、0.14%、0.21%、0.28%、0.42%）的模拟废水，分别加入5个150mL的锥形瓶中，分别加入2.0g备用活性炭。在温度298K条件下，振荡反应2h。反应完成后，将锥形瓶中废水过滤，测定原废水和各滤液的COD，计算COD的去除率，以原水COD浓度为横坐标，COD去除率为纵坐标，反映原水COD浓度对吸附效果的影响，见图3-5。图3-5 原水
44、初始浓度与废水处理效果之间关系从图3-5分析可得，原水COD浓度值越高，吸附效果越差。原水COD为约500mg/L时，COD去除率高达92.16%；原水COD约3000mg/L时，去除率降至76.80%。目标废水COD约为1600mg/L，去除率一般可达在85%以上，去除效果良好。3.6 热力学吸附等温线参数模拟在温度一定的条件下，吸附量随着吸附质平衡浓度的提高而增加。把吸附量随平衡浓度变化的曲线称为吸附等温线。Freundlich经验公式： (3-3)式中：Qe为平衡吸附量；Qm为与饱和吸附量有关的常数；KF为常数；n为常数。将上式写成对数式： (3-4)不同温度下，活性炭等温吸附数据见图3
45、-6。图3-6 不同温度条件下平衡吸附量与平衡浓度之间关系用Freundich方程对实验数据进行拟合，拟合参数见表3-1。表3-1 Freundlich经验公式模拟活性炭吸附过程参数温度（K）KFnR22983131.34 1.63 0.99882.57 1.71 0.99653334.48 1.76 0.9932上表反映了在三组温度分别为298K、313K、333K下，对初始COD浓度不同废水，用Freundich方程对二甲基乙酰胺的吸附平衡浓度与吸附量的拟合情况。由所得结果得出：（1）由表3-1参数分析可得，活性炭对二甲基乙酰胺的吸附符合Freundlich方程，故活性炭对二甲基乙酰胺的吸附行为为多层非均匀的。（2）随着温度升高，Freundlich方程拟合度有所下降，这可能是温度升高导致二甲基乙酰胺在水中的溶解度下降而挥发所导致的。3.7 吸附动力学参数模拟吸附动力学科通过在吸附剂中的扩散来描述，比如膜扩散，孔道扩散和表面扩散，以及孔-膜扩散，或者这四个步骤的任意组合。为了研究一种吸附过程的控制机理和确定达到平衡的最短必要时间，实验将涉及到几种动力学模型，如伪一级模型，Elovich模型，伪二级模型和粒子内扩散模型。下面章节会对这些模型进行简单描述。（1）伪一级动力学模型伪一级模型是最常见的描述从某溶液中吸附溶质过程的模型。这个模型的线形方程如下：