[科普中國(guó)]-吸附容量

定義

吸附容量是指單位吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的量，單位是mg/g或其他。指的是濾料或離子交換劑吸附某種物質(zhì)或離子的能力。

即吸附量，在固定床吸附時(shí)，達(dá)到透過(guò)點(diǎn)時(shí)的透過(guò)容量為吸附容量。吸附裝置的吸附容量指在一定的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下（包括再生切換在內(nèi)）的吸附量，由于吸附劑經(jīng)多次使用后會(huì)發(fā)生劣化的現(xiàn)象，故設(shè)計(jì)吸附裝置時(shí)，常采用運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的吸附容量為設(shè)計(jì)吸附容量。

影響因素由于吸附是在吸附劑表面上吸附單分子層或多分子層的吸附質(zhì)，為了達(dá)到一定的吸附容量，吸附質(zhì)必須是具有很大比表面積的多孔物質(zhì)。所謂比表面積(specific surfacearea)，是指單位質(zhì)量的物質(zhì)所具有的表面積，比如活性炭，它的比表面積可達(dá)1000m2/g，這樣大的比表面積才使它具有比較高的吸附容量，滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。

對(duì)于以物理吸附為主要的吸附過(guò)程（比如活性炭吸附），吸附質(zhì)和吸附劑之問(wèn)不存在簡(jiǎn)單的化學(xué)劑量關(guān)系，影響吸附容量的因素很多，除了吸附劑和吸附質(zhì)本身性質(zhì)外，還與溫度和平衡濃度有關(guān)。例如利用活性炭來(lái)吸附水中有機(jī)物，當(dāng)活性炭和水中有機(jī)物種類確定時(shí)，該活性炭吸附容量(q)僅與溫度t和吸附平衡時(shí)水中有機(jī)物濃度（即平衡濃度Ce）有關(guān)，可以寫(xiě)作

吸附等溫線當(dāng)溫度固定時(shí)，吸附容量?jī)H隨平衡濃度變化而變化，它們之間的關(guān)系稱為吸附等溫線(adsorption isotherm)。根據(jù)吸附等溫線可以判斷不同活性炭的吸附性能差異，也可以對(duì)吸附過(guò)程進(jìn)行分析。

吸附等溫線繪制是指逐點(diǎn)測(cè)得不同平衡濃度時(shí)的吸附容量，然后繪制在吸附容量一平衡濃度坐標(biāo)體系中。以活性炭為例，其測(cè)定方法為：先將試驗(yàn)的活性炭洗滌干燥，研磨至200目以下，在一系列磨口三角瓶中放入同體積同濃度的吸附質(zhì)(如有機(jī)物)溶液，然后加入不同數(shù)量的活性炭樣品，在恒溫情況下振蕩，達(dá)到吸附平衡后，測(cè)定吸附后溶液中殘余吸附質(zhì)濃度，按下式計(jì)算吸附容量：

式中：qe——在平衡濃度為Co時(shí)的吸附容量，mg/g；

V——吸附質(zhì)溶液體積，L；

Co——一溶液中吸附質(zhì)的初始質(zhì)量濃度，mg/L；

ce——活性炭吸附平衡時(shí)吸附質(zhì)剩余質(zhì)量濃度，mg/L；

m——活性炭樣品質(zhì)量，g。

將測(cè)得的一系列吸附容量值與其對(duì)應(yīng)的平衡濃度在坐標(biāo)系中作圖，即得本溫度下該活性炭對(duì)該有機(jī)物的吸附等溫線。比較不同活性炭對(duì)同一種有機(jī)物的吸附等溫線可以判斷活性炭對(duì)該有機(jī)物吸附性能的好壞，可用于活性炭篩選及性能評(píng)定。2

測(cè)量活性炭吸附容量測(cè)定

活性炭的吸附容量可通過(guò)吸附等溫線的測(cè)定，得到吸附容量的近似范圍，也可通過(guò)柱子通水試驗(yàn)求得。吸附等溫線測(cè)定的吸附容量，在選型試驗(yàn)中可以粗略、簡(jiǎn)單的估算處理每噸水所需的活性炭的量，并且可以評(píng)價(jià)該種活性炭對(duì)處理對(duì)象的吸附特性，從而初步選擇吸附裝置的形式、吸附及再生裝置的規(guī)模，但不能作為實(shí)際設(shè)計(jì)吸附裝置的參數(shù)。其實(shí)際吸附容量要通過(guò)柱子試驗(yàn)求得。

（1）吸附等溫線的測(cè)定

用6個(gè)以上具塞磨口三角燒瓶，取同樣體積及濃度要處理的原水，在每個(gè)瓶中加入不同的炭量（其中包括一個(gè)空白瓶），用振蕩機(jī)混合均勻，使吸附達(dá)到平衡后，測(cè)各瓶中水樣殘余的濃度，計(jì)算其吸附容量(qo)點(diǎn)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，以qo為縱坐標(biāo)，以Ci為橫坐標(biāo)，求得吸附等溫線的K和1/n。

（2）動(dòng)態(tài)柱子試驗(yàn)測(cè)定吸附容量和吸附帶長(zhǎng)度

在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)條件下，可求出實(shí)際設(shè)備設(shè)計(jì)的通水倍數(shù)、最適流速、吸附帶長(zhǎng)度和單位質(zhì)量活性炭的吸附量。

用活性炭進(jìn)行水處理時(shí)，水和活性炭的接觸方式也很重要。用粒狀炭時(shí)，一般有固定床和流動(dòng)床兩種形式。處理水通過(guò)活性炭固定床時(shí)，發(fā)生吸附反應(yīng)的活性炭層稱為吸附帶。水中的被吸附物質(zhì)先和上層活性炭接觸發(fā)生吸附，然后吸附帶逐漸向下移動(dòng)，上層活性炭逐漸飽和，吸附帶移至出口后，出水的濃度開(kāi)始上升，該點(diǎn)稱為穿透點(diǎn)，然后出水濃度迅速上升，當(dāng)出水濃度接近進(jìn)水濃度時(shí)，活性炭完全失效。將通水量或通水時(shí)間作為橫軸，出水濃度作為縱軸，得到的濃度變化曲線又稱為穿透曲線。穿透曲線的形狀和水質(zhì)、操作條件、活性炭性質(zhì)等因素有關(guān)，一般通過(guò)試驗(yàn)曲線來(lái)設(shè)計(jì)確定活性炭層的厚度和空間濾速。

柱子試驗(yàn)裝置如圖1，柱子采用有機(jī)玻璃管，內(nèi)徑25～80mm，高1000mm，5根，水泵1臺(tái)。活性炭總高度因吸附帶長(zhǎng)度隨吸附物質(zhì)的吸附速度而異，不能籠統(tǒng)地規(guī)定。為了取得相關(guān)數(shù)據(jù)，要在柱子出水處設(shè)取樣閥門，水廠選擇炭種時(shí)一般將試驗(yàn)水接在快濾池出水后面。

操作步驟如下：

①充填選炭，先在柱子中裝水，加炭時(shí)，邊加炭邊使水溢流，待炭層高度加到1.0m左右記下裝炭質(zhì)量，柱子數(shù)由試驗(yàn)決定；

②串聯(lián)通水試驗(yàn)，對(duì)各柱子出水的污染物進(jìn)行分析，如最后出水達(dá)不到要求，還需增加柱子；

③如圖1，當(dāng)?shù)谝桓映鏊械奈廴疚餄舛葹檫M(jìn)水濃度的95%時(shí)，將第一根柱子取下來(lái)，再將裝有新炭的柱子接在最后柱子后面；

④再由第二根柱子通水直到第二根出水濃度也為進(jìn)水濃度95%左右停止試驗(yàn)，再進(jìn)行換柱，以此類推直至最后一根柱子出水濃度為進(jìn)水的95%；

將試驗(yàn)結(jié)果整理如下：

①將各柱子出水濃度分析結(jié)果，做出水流出曲線圖，見(jiàn)圖2；

②根據(jù)第二根柱子充填的活性炭所吸附污染物質(zhì)的量（相當(dāng)于兩根虛線所包面積所對(duì)應(yīng)的污染物量），計(jì)算出單位質(zhì)量活性炭的動(dòng)態(tài)吸附量（即飽和吸附量）：

③根據(jù)飽和吸附量及處理水累積體積，可求出活性炭通液倍數(shù)；

④根據(jù)每根柱子出水濃度，繪出泄漏量與炭層高度曲線（第一根虛線與三根曲線的交點(diǎn)即代表三個(gè)不同炭層高度污染物的不同泄漏量；第二根虛線與兩根曲線的交點(diǎn)，代表另兩高度的泄漏量），可求出實(shí)際需要的吸附帶高度，如圖3所示。3