1、 1 毕业论文 开题报告 环境工程 活性炭吸附铜的研究 一、 选题的背景、意义 随着现代工业及其它产业的迅猛发展，水体污染已经引起了当今世界各国的普遍关注， 特别是日益严重的重金属废水污染周围环境的问题 。 重金属废水主要含有铬 、 镍 、 铜 、 锌 、 汞 、 锰 、 镉 、钒及锡等有毒重金属离子，它的来源很广，如金属矿山 、 电解 、 电镀 、 医药 、 制革工业等等 。 不加处理或处理未达标的重金属废水大量排放，将会对人类自身的健康和生态环境造成极大危害 。 金属铜在国民经济生活和工业生产中扮演着重要角色，不断有 科研工作者投入到 含铜离子 废水处理的研究当中。 铜离子如果 不经处理排
2、入环境中，通过水迁移 、 土壤积累和食物链的累积和放大效应，将对人体产生伤害，导致腹痛 、 呕吐，甚至是肝硬化等 1-2。 我国已将铜及其化合物列入水体优先控制污染物的 “ 黑名单 ” 3。 同时金属铜有较高的经济价值，铜离子不经回收直接排放将会造成很大的资源浪费。 其实， 多年来人们不断开发改进处理废水中铜离子的方法和技术 ,如化学沉淀、氧化、还原、蒸发浓缩、电积、离子交换、吸附和浮选等等多种方法 4。 化学沉淀法可处理大量的、金属浓度高的工业废水 , 但需要污泥脱水设备，并且占地面积大、操作复杂。而离子交换法中离子交换树脂再生频繁 ,处理费用高 5。吸附法的材料便宜易得，成本低，去除效果好
3、而且不会产生二次污染，一直受到人们的青睐。 活性炭作为一种非极性吸附剂 ,来源丰富 ,它 具有发达的孔隙结构 , 巨大的比表面积 , 较多的表面化合物和良好的机械强度，其对重金属去除的有效性已经被广泛论证 , 成为吸附重金属的常用吸附剂之一 6。 目前， 颗粒活性炭 、 粉状活性炭 、 活性炭纤维 、 炭分子筛 、含碳的纳米材料等相继问世。 二、相关研究的最新成果及动态 1 吸附机理分析 目前 , 活性炭对金属离子的吸附机理被认为主要是金属离子在活性炭表面的离子交 换吸附 ,同时还有重金属离子与活性炭表面的含氧官能团之间的化学吸附、金属离子在活性炭表面沉积而发生的物理吸附 7-8。 Mohan
4、9认为如果活性炭对金属离子的吸附中离子交换占主导作用 , 那么被吸附与被解吸附的2 金属离子之比应约等于 1, 而目前的研究结果则与此是严重背离的 , 因此他认为活性炭对重金属的吸附不仅仅是一个简单的离子交换过程 , 活性炭上各种活性位点对重金属的吸附也是一个重要的原因。同时 , 金属阳离子和活性炭表面的阴离子间的静电引力也起了一定的作用。也有学者 10认为活性炭对重金属的吸附表现为一种 表面络合现象。活性炭颗粒表面各种含羟基的基团与溶液中离子的各种形态形成表面络合而将其吸附。 2 吸附平衡式 2.1 Langmuir 模式和 Freundlich 模式 Langmuir 模式和 Freund
5、lich 模式是活性炭对重金属的吸附中最常见的经典经验模式。这两个模式主要是依靠大量的实验结果而提出的数学模式 ,形式简单 , 计算方便 ,能化成某一线性方程进行作图拟合而被广泛应用。 张淑琴等通过对重离子铅 、 镉 、 铜等的吸附研究 11， 得出的吸附曲线可以很好与 Langmuir 型和 Freundlich 型曲线拟 合 ， 线性相关系数均在 0.95 以上 ， 说明三种金属离子在活性炭上的吸附属单分子层吸附 ， 该吸附过程属于物理吸附和化学吸附并存的物理运动过程 ， 只要金属铅离子充分接触活性炭表面并进入空隙内部就能有效地被吸附 ， 但当吸附到达一定的时间后 ， 吸附运动基本达到一种
6、动态平衡 。 Langmuir 模式和 Freundlich 模式的应用实例是相当广泛的。但它们同时也含有一些缺点 , 因而限制了其应用 12-13:( 1) Langmuir 模式和 Freundlich 模式的参数是通过实验在某种特定条件下 ( 如pH 值一定的条 件下 ) 得出的 , 因而不具有普遍性 , 只能在有限的范围内才能运用。 ( 2) 这些经验式都没有明确的物理意义 , 在其适用范围内 , 只能概括的表达一部分实验事实 , 而不能说明吸附作用的机理。 2.2 表面络合模式 表面络合模式 ( Surface Complex Formation Model, SCFM)是基于溶液中
7、配位化学反应平衡理论 ,把金属阳离子在活性炭表面上的吸附看成是活性炭上的官能团 (羟基 )与金属阳离子之间的化学反应。目前具有代表性的表面络合模式有恒定容量模式 (Constant capacitance model, CCM) 、扩散层模式 (Diffuse layer model, DLM)和三层模式 ( Triple layer model, TLM) 。 Chen J Paul发现 TLM模型不仅能描述在各种变化的情况 (如 pH值、离子强度、阴离子类型、初始浓度 )下 H 型活性炭对重金属离子的吸附情况 ,而且还能描述在多个金属离子共存的条件下 H 型活性炭对重金属离子的吸附情况。
8、3 吸附影响因素分析 3 3.1 活性炭粒径 、 孔隙的大小 活性炭的吸附能力与活性炭的孔隙大小和结构有关 。 一般来说 ， 颗粒越小 ， 孔隙扩散速度越快 ，活性炭的吸附能力就越强 。 Huang 和 Smith 等 （ 1981） 通过实验证明 14， 颗粒活性炭 （ GAC） 的吸附速度远小于粉末活性炭 （ PAC） 的吸附速度 ， 孔隙的扩散速率被认为是制约吸附速度的主要因素在随后 Huang 和 Wirth等的实验中 ， 通过一系列的粒径大小不一的粉末活性炭 ， 证明了随着粒径的增加 ， 孔隙内的扩散对吸附过程的影响越来越重要 。 Rubin 和 Mercer(1987)比较了可以通
9、过 8 10 目筛和可以通过 50 200 目筛的颗粒活性炭的吸附速度 ， 得出粒径为可通过 8 10目筛的颗粒活性炭达到吸附平衡 的时间为 95 h， 而粒径可以通过 50 200目筛的颗粒活性炭达到吸附平衡的时间平均为6 h， 两者差距明显 。 此外 ， 颗粒的粒径还影响到活性炭比表面积的大小 。 活性炭纤维 （ ACF） 与颗粒活性炭和粉末活性炭相比 ， 其孔径分布狭窄而均匀 ， 微孔体积占总体积的 90 %左右 ， 微孔孔径大多在 1 nm 左右 ， 实验表明 ， 其对水中重金属离子的吸附较后两者相比 ， 吸附容量有较大的提高 ，吸附速率也较快 。 3.2 温度的影响 活性炭对重金属离
10、子的吸附过程实质上是吸附与脱附相互交织的过程 。 吸附反应是吸热反应 ，因此 ， 一般来说温度低一些好 。 黄鑫等通 过不同温度下的吸附试验 发现一定温度下 （ 50 ） 时 ， 液相吸附热虽然较小 ， 但是由于分子热运动的加剧 ， 导致对吸附平衡的破坏 ， 吸附容量有所减小 ， 表现为物理吸附性能的特性 。 3.3 pH 值 pH 值对活性炭与金属离子之间的亲合力有着非常重要的影响。 Chen15发现溶液的 pH值从 2. 3升高到 7后 ,活性炭对 Cu2+的吸附去除率从 10%升到 95%。 pH值低于此范围时 ,活性炭对 Cu2+的吸附相当小。 Corapcioglu和 Huang16
11、发现在 pH值为 3 5的范围内 ,活性炭对 Cu2+的吸附最为显著。由此可知随着溶液中 pH 值的增加活性炭对金属离子的吸附量也在增加。当溶液的 pH 值升高后 , 活性炭表面官能团被质子化 ,从而表面电势密度降低 ,金属阳离子与活性炭表面的静电斥力减少 。 同时 , 由于活性炭表面的官能团为弱酸性 , 当溶液 pH 值升高后 , 活性炭上负电势点增多 , 因而吸附量增多。过高的 pH 值会导致金属氢氧化物沉淀的生成 , 因此 , 在吸附过程中应严格控制好 pH 值。 17 3.4 活性炭的用量 活性炭的用量对吸附 有一定的影响。对于相同的溶液，随着活性炭的用量的增加，铜离子吸附效率也随之增
12、加，吸附效果也随之加强，被吸附离子的相对浓度随之降低，但它的单位吸附量呈现减少的趋势。 4 此外，溶液的离子强度 , 初始浓度对重金属的吸附去除也有影响。根据 EDL( electrostatic double layer 双层静电 ) 理论 , 当溶液的离子强度增加 , 活性炭的双层静电被压缩 ,则对金属离子的吸附量增加。当溶液的初始浓度增加 , 金属离子的去除率降低。活性炭的吸附位点是固定不变的 ,对金属离子的吸附量也是固定的 , 因此当金属离子的初 始浓度增加后 , 去除率降低。 18 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标 研究内容 ： 本文研究活性炭吸
13、附废水中铜离子的处理效果的影响因素，包括活性炭用量， pH值，初始浓度，吸附时间，温度等。 研究方法 1. 绘制含铜离子的标准曲线。 配置 Cu2+浓度分别为 0.2 mg/L、 0.4 mg/L、 0.8 mg/L、 1.0 mg/L的硫酸铜溶液 4份 ,用紫外分光光度计测定其吸光度，绘制标准曲线。 2. 温度对 Cu2+在活性炭上吸附的影响。 取 9个装有 100mL Cu2+ 浓度为 10mg/L的硫酸铜溶液的锥形瓶 ,向其中均加入 2g活性炭，分别为10 、 20 、 25 、 30 、 35 、 40 、 45 、 50 、 55 的温度下 振荡 3h ,然后过滤取滤液，再用紫外分光
14、光度计测定活性炭对 Cu2+吸附效果。 3. 原水 pH 值对 Cu2+在活性炭上吸附的影响。 取 7个装有 100mL Cu2+ 浓度为 10mg/L 的硫酸铜溶液的锥形瓶 ,分别用已经配好的盐酸和氢氧化钠溶液调其 pH 值分别为 2 , 3 , 4 , 5 ,6 ， 8 , 10 。 然后分别向其中加入 2g 活性炭并置于振荡器上振荡 3h , 然后过 滤取滤液，再用原子吸收分光光度计测定活性炭对 Cu2+吸附效果。 4. Cu2+在活性炭上吸附时间的确定。 取 10个装有 Cu2+浓度为 10mg/L硫酸铜溶液 100mL 的锥形瓶 ,向其中均加入 2g 经水洗的颗粒活性炭 ,在调速多用
15、振荡器上以中速振荡 ,在时间分别为 5 ,10 ,20 ,30 ,60 ,90 ,120 ,150 ,180 ,210min 时各取下一个锥形瓶经过滤后 ,取滤液然后用紫外分光光度计测定活性炭对 Cu2+吸附效果。 5. 温度对 Cu2+在活性炭上吸附的影响。 取 9个装有 100mL Cu2+ 浓度 为 10mg/L的硫酸铜溶液的锥形瓶 ,向其中均加入 2g活性炭，分别为10 、 20 、 25 、 30 、 35 、 40 、 45 、 50 、 55 的温度下 振荡 3h ,然后过滤取滤液，再用紫外分光光度计测定活性炭对 Cu2+吸附效果。 5 6.吸附等温线的绘制。 准确配制 Cu2+
16、浓度分别为 2mg/L ,4mg/L ,6mg/L, 8mg/L, 10mg/L,12mg/L 的硫酸铜溶液 ,然后各取 100mL 加入装有 2g 活性炭的锥形瓶中 ,置于振荡器上振荡 3h后取下过滤并测定分别的吸光度 ,通过标准曲线计算出对应的 Cu2+ 平衡浓 度 ,以 Cu2+ 平衡浓度和吸附容量绘制吸附等温线。 四、论文详细工作进度和安排 2010.10-2010.12.20 完成开题报告并进行开题答辩 ； 2010.12.20-2011.1.10 编写毕业设计方案 ， 做好设计所需前期准备工作 ； 2011.1.11-2011.2.10 完成工艺、设备设计计算，编写设计说明书； 2
17、011.3.11-2011.4.10 实验 2011.5.11-2011.5.20 毕业设计初稿撰写、修改及定稿 ； 2011.5.20-2011.5.25 论文 PPT 制作、参加设计答辩，提交与毕业设计相关的其它材料 。 五、主要参考文献 1 张剑波 ,王维敬 ,祝乐 .离子交换树脂对有机废水中铜离子的吸附 .水处理技术 ,2001,27(1): 29- 32. 2 FAW ZI BABAT.Competitive adsorption of phenol,copper ions and nickel ions on to heat-treated bentonite.Adsorption
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