导　　师： 张会平

学科专业： H1701

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 随着社会经济的飞速发展，人们对环境要求日益提高。含酚废水是一种典型的量大面广的有机废水，广泛存在于炼油、化工、制药等行业中，对环境造成严重污染。含酚废水的治理逐渐成为人们十分关注的问题。目前含酚废水的处理方法有吸附法、溶剂萃取法、化学法、膜分离法以及生物法。其中吸附法是最常用的高效分离方法之一，经吸附法处理后的水可以直接达到排放标准。采用活性炭作为吸附剂的固定床吸附器是工业上最常用的处理含酚废水吸附装置，但其存在吸附速率较慢，床层阻力较大，床层利用率较低等问题。因此开发一种新型吸附材料及基于这类新型吸附材料应用和设计的结构化固定床吸附器以用于提高吸附速率，强化固定床吸附器传质传热过程，是一项既有理论意义又具有实际应用价值的前沿性课题。本文制备了微纤包覆活性炭复合材料，研究了苯酚、对硝基苯酚在两种不同活性炭上的搅拌槽吸附动力学，建立苯酚、对硝基苯酚在颗粒椰壳活性炭固定床上和基于微纤包覆活性炭复合材料的结构化固定床上的吸附动力学模型，探讨了苯酚、对硝基苯酚在结构化固定床上的吸附行为。首先，本文以不锈钢纤维、针叶木纤维和颗粒活性炭（150-200μm）为原料，通过湿法造纸和烧结工艺制备了微纤包覆活性炭复合材料。通过氮气吸附法以及压汞法对活性炭进行了孔结构分析，采用扫描电子显微镜（SEM）观测制备微纤包覆活性炭复合材料烧结前后的显微结果。结果表明，不锈钢纤维的连接处被很好地烧结在一起，形成具有大的空隙率的三维网状结构，微米尺度的颗粒活性炭被较好地包覆其中。根据压汞法测得椰壳活性炭表观密度为718.6kg/m³，煤质活性炭表观密度为852.4kg/m³。椰壳活性炭的比表面积，微孔体积都比煤质活性炭大，说明椰壳活性炭相对于煤质活性炭具有更多的吸附位点，有利于吸附的进行。两种活性炭的微孔体积均占总孔体积的3/4，说明苯酚及对硝基苯酚在活性炭上的吸附是以表面扩散为主的颗粒内扩散过程。其次，本文分别研究了苯酚、对硝基苯酚在椰壳活性炭和煤质活性炭上的吸附平衡。分别采用Langmuir模型、Freundlich模型对苯酚、对硝基苯酚在两种活性炭上的吸附等温曲线进行了拟合。结果表明，Langmuir模型更适合描述苯酚在活性炭上的吸附平衡，Freundlich经验模型更适合描述对硝基苯酚在活性炭上的吸附平衡。因此，采用Langmuir模型作为苯酚在椰壳活性炭和煤质活性炭固液界面吸附平衡模型；采用Freundlich模型作为对硝基苯酚在椰壳活性炭和煤质活性炭固液界面吸附平衡模型，以研究苯酚、对硝基苯酚在活性炭上的吸附动力学。再次，本文分别研究了苯酚、对硝基苯酚在椰壳活性炭和煤质活性炭上的搅拌槽吸附动力学。通过改变苯酚、对硝基苯酚初始浓度以及活性炭添加量，研究了不同实验条件下实验吸附衰减曲线的变化；在非线性吸附等温条件下，建立了苯酚、对硝基苯酚在活性炭上的吸附动力学模型--包含液膜传质阻力和表面扩散阻力的均相扩散模型（HSDM），分别根据每组理论实验吸附衰减曲线和多组理论实验吸附衰减曲线对计算得到的动力学参数置信区间进行分析；讨论了表面扩散系数分别为常数和吸附量的函数时对实验吸附衰减曲线以及动力学参数的影响；通过Biot数（液膜传质速率和固相扩散速率之比）分析吸附过程中的速率控制步骤。结果表明，当D_s为常数时，根据单组实验吸附衰减曲线和多组实验吸附衰减曲线得到的理论吸附衰减曲线和实验吸附衰减曲线有较好的吻合；根据多组实验数据计算得到的动力学参数，其置信区间较小，说明引入较多实验数据计算得到的动力学参数更为准确；经计算得到的苯酚和对硝基苯酚k_f和D_s值数量级均分别为10^-5和10^-12；当D_s为变量时，根据多组实验数据得到的理论吸附衰减曲线和实验吸附衰减曲线的吻合度较差，参数的置信区间较大，说明在本体系中D_s应为常数；根据动力学参数，求解得到的苯酚、对硝基苯酚在椰壳活性炭和煤质活性炭上吸附的Biot数，得到苯酚在煤质活性炭上的吸附过程主要由表面扩散控制，苯酚在椰壳活性炭上的吸附过程、对硝基苯酚分别在椰壳活性炭和在煤质活性炭上的吸附过程均由表面扩散和液膜传质共同控制。根据Biot数可知，由球形均相扩散模型计算得到的表面扩散系数可用于固定床吸附动力学模型计算中。然后，本文研究了苯酚、对硝基苯酚在颗粒椰壳活性炭固定床上的吸附动力学。在不同进口浓度，不同流速条件下，分别进行了苯酚、对硝基苯酚在颗粒椰壳活性炭固定床上的吸附动力学实验；建立了苯酚、对硝基苯酚在颗粒椰壳活性炭固定床上的吸附动力学模型，计算理论吸附透过曲线；通过模型计算得到在颗粒椰壳活性炭固定床内，不同时间和床层位置的苯酚、对硝基苯酚浓度变化的三维立体图，以及传质区移动关系图和传质区长度的变化情况；通过灵敏度分析讨论吸附过程中的速率控制步骤。结果表明，在不同进口浓度，不同流速条件下，根据颗粒椰壳活性炭固定床吸附动力学模型计算出的理论吸附透过曲线和实验吸附透过曲线有较好的吻合；根据苯酚、对硝基苯酚溶液浓度在颗粒椰壳活性炭固定床内传质区和传质区长度的变化情况，得到随着进口浓度的升高以及溶液流速的增大，传质区移动速度变快，传质区长度变小的规律；通过对模型进行灵敏度分析结果，得到当k_f和D_s增大或减小10倍时，对模型计算结果有较大的影响，当D_L增大或减小10倍时，对模型计算结果影响较小，说明苯酚、对硝基苯酚在颗粒椰壳活性炭固定床上的吸附行为是由固相扩散和液膜传质共同控制的。最后，本文研究了苯酚、对硝基苯酚在结构化固定床上的吸附动力学。通过在床层的进口端和出口端分别装填颗粒活性炭和微纤包覆活性炭复合材料构成结构化固定床，在不同床层比例，不同进口浓度以及不同流速条件下，分别进行了苯酚、对硝基苯酚在结构化固定床上的吸附动力学实验，对比分析了颗粒椰壳活性炭固定床和结构化固定床的无效层厚度；建立了苯酚、对硝基苯酚在结构化固定床上的吸附动力学模型，通过模型计算得到在不同时间和床层位置上的苯酚、对硝基苯酚浓度变化的三维立体图，以及传质区移动关系图和传质区长度的变化情况；根据动力学参数计算，对比分析了结构化固定床内颗粒活性炭层以及微纤包覆活性炭复合材料层传质阻力。结果表明，苯酚、对硝基苯酚在结构化固定床的吸附透过曲线斜率相对于颗粒椰壳活性炭固定床增大；苯酚、对硝基苯酚在结构化固定床上的无效层厚度相对于颗粒椰壳活性炭固定床减小；在不同进口浓度，不同流速条件下，根据结构化固定床吸附动力学模型计算出的理论吸附透过曲线和实验吸附透过曲线有较好的吻合；根据苯酚、对硝基苯酚溶液浓度在结构化固定床内传质区和传质区长度的变化情况，得到随着进口浓度的升高以及溶液流速的增大，传质区移动速度变快，传质区长度变小的规律；结构化固定床中微纤包覆活性炭复合材料层的固定相扩散阻力、液膜传质阻力以及轴向扩散阻力均小于颗粒活性炭层。

关 键 词： 微纤包覆活性炭复合材料 活性炭 间歇搅拌槽 结构化固定床 吸附动力学

分 类 号： [TQ028.3;X703]

领　　域： [化学工程]