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        活性炭吸附脫色實驗的改革與實施

        2019-11-26 07:34:36王淑勤陳司晗
        山東化工 2019年21期
        關(guān)鍵詞:色度投加量檸檬酸

        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(diǎn)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(yùn)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(diǎn)操作簡單,測定的結(jié)果重現(xiàn)性好,但是伴隨的缺點(diǎn)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(diǎn)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?;钚蕴康奈侥芰σ晕搅縬表示。

        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(fèi)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(diǎn)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]??梢钥闯觯究茖嶒瀸W(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(diǎn)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(diǎn)。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(diǎn),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(yùn)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。

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