粉状活性炭处理液体吸附原理

粉状活性炭具有发达的孔隙结构，有很大的比表面积，通常粉状活性炭比表面积为450-1800平方米/克，孔容积为0.7-1.8毫升/克。因此，它是一种良好的吸附剂。由于炭表面有疏水性，所以能够从水溶液中吸附各种物质，借以达到精制液体，回收和分离液体中某些组份的目的。
粉状炭与颗粒炭相比，有较高的吸附力，吸附时间短，效率高等优点。因此，它广泛地用于液相吸附来净化液体。但缺点是间歌式操作，过滤和炭再生较为困难。现将粉状炭处理液体流程、吸附装置和炭用量作一些介绍。
一、单级处理液体
（一）单级处理流程和装置
流程如图1所示，在混合罐中，加入粉状炭和未处理液体，让其充分混合和吸附，然后在过滤器中过滤，净化的滤液放入接受罐中，而用过的炭弃去或再生处理。
单级处理是在典型的间歇式装置（见图2）中进行的。在混合罐（或处理罐）中，借助搅拌器使炭-液得到充分混合，扩大了炭-液接触面，提高了吸附效果。但于这种搅拌不宜过分剧烈，否则，液体中混入空气，可能导致其组成或杂质的氧化，结果影响液体净化。因此对易氧化的液体，应当在真空条件下或在惰性气体中进行处理。
通常在混合罐中处理物料的温度，应当与液体需要的温度相适应，在混合过程中，液体需要升温时，可以通过罐内的蒸汽蛇管加热，蒸汽蛇管应装在尽可能低的位置，以便在液面降低时，液体温度保持不变。由于炭用量较少，所以罐内蛇管不会造成炭的堵塞。
达到吸附平衡需要的搅拌时间（接触时间）与液体杂质含量和炭用量有关，在大多数应用中，接触时间为20-30分钟。为保持罐内炭-液的均匀性，过滤时需要继续搅拌物料。
过滤时理想操作条件是：在大过滤速率下，得到理想的净化效果。一般在实际操作中，对粘性液体的过滤速率为3-4加仑/米2·时，而对粘性小的液体为30—40加仑/米2·时。过滤时的真正过滤介质是沉积的炭（滤饼），而不是支承炭的滤布。过滤开始时，要求液体压力低，流量小，这时由于滤饼尚未形成，滤液混浊，应返至混合罐中。随着滤饼的形成和增厚，滤液逐渐变清，收集在接受罐中。同时应逐渐增加液体压力。加大液体流量。但是，当炭粒较粗和液体杂质中含有胶体微粒时，即使滤饼形成后，滤液依旧混浊，对于这种情况，可以采用1/16-1/8英寸大小的助滤剂预先铺在滤布上或加至混合罐中，这样可得到良好的效果。过滤后，用压缩空气和蒸汽加压吹出滤饼中的残液。
由吸附等温线可以确定炭用量。首先，根据实验确定吸附等温线。实验是将不同量的炭样，分别加入到盛有相同体积液体的容器中，在相同温度下，充分搅拌一小时左右，使炭吸附达到平衡，然后过滤分出滤液和炭，分别测出滤液中杂质的剩余浓度（终浓度），实验结果列于表1。表中一行数据为未处理试样，C0表示空白浓度即未处理液体的初浓度，表中左面两栏为记录的实验原始数据，X表示初浓度与剩余浓度之差即X=C0-Cf；X/M数据是计算得到的。用X/M对Cf在对数纸上作图，便得出吸附等温线，如图3所示，该吸附等温线可以由弗罗因德利胥吸附方程式表示：
这种方法的炭用量较少，适用于处理杂质含量较高的液体。其炭用量可以利用图5吸附等温线，参照单级处理炭用量来计算。图中C0表示未处理液体的初浓度，Cf表示用过一次炭与液体接触处理后的中间浓度，即处理过一次液体的浓度，Cf表示新炭与处理一次后的液体进行二次处理的终浓度。当单级处理与二级逆流处理的终浓度相同时，可以由弗列因德利胥方程式推导出下列方程式：

Mcc/Ms=（Cf/C1）1/n
Mcc/Ms=（C1-Cf）/（C0-Cf）
式中：Ms—单级处理的炭用量（ppm）。
Mcc—二级逆流处理的炭用量（ppm）。
根据方程式给出了二级逆流处理的一组曲线，如图6所示，每条曲线表示在一定终浓度（Cf）下，吸附等温线斜率与炭用量之间的关系，图中终浓度（Cf）用它初浓度（C0）的百分数表示，炭用量（Mcc）以它单级处理炭用量（Ms）的百分数表示。
M2/Ms×100%=20%
M2/30.6%×100%=20%
M2=30.6%×0.15=6.1%
则二级处理炭用量，为液体重量的6.1%。
M=M1+M2=4.6%+6.1%=10.7%
则二级分段处理总的炭用量为液体重量的10.7%。
由以上炭用量计算结果表明，用不同方法处理液体的炭用量，有很大的不同，处理时的炭用量大，二级逆流处理时小。