活性炭吸附脫色實驗的改革與實施

王淑勤，陳司晗

(華北電力大學 環境科學與工程系，河北 保定 071003)

學校教學和實踐鍛煉相結合的人才培養體系,重視養成學生的革新能力、科學創造性思維和敢于克服難題的能力[1]。環境工程作為華北電力大學的雙一流建設專業，在研究性教學試點課程《水污染控制工程》的教學改革已經進行了五年。為了更好的體現華北電力大學“研究型、國際化”的辦學特色，我們對現有的實驗項目進行了設計性改革[2-3]，讓學生主動參與到實驗教學中，培養學生運用專業知識分析問題、解決問題的能力，自主學習、探索研究及團隊協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脫色實驗進行了全面的考量[4]，找到實驗課程的不足，進一步優化實驗條件。為此我們主要從以下方面進行改革。

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，雖然其優點操作簡單，測定的結果重現性好，但是伴隨的缺點同樣明顯，如：試劑有毒，且用量較多，樣品需求量大，分析結果時間長[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，適合測定污染不嚴重的水樣和有機物含量相對比較值時[6]。工業污水和生活污水含有復雜的污染物，宜采用重鉻酸鉀法。在綜合考慮能耗、時間、實驗目的等因素后，高錳酸鉀法測定水中的COD更加適合學生的實驗。但測定 COD實驗的課程開設，并不是簡單的讓學生進行測定，而是更加綜合性的與活性炭的吸附性能實驗結合在一起，其開設只需要配置好含有有機物的污水，其余的全部由學生操作，更加全面鍛煉了學生。

1.2 吸附質的選擇對比

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，易進行配備，且對人身體無害等多項優點值得我們將它作為替換材料，最后結合本科實驗數據來看，相對比較之下的替換還是很適合的。

根據預實驗的進行情況，我們將活性炭的量定為0、100、300、500、700 mg粉狀活性炭在經30 min震蕩吸附后測定COD?；钚蕴康奈侥芰σ晕搅縬表示。

根據近些年實驗進行過程，學生因為操作不熟練，滴定誤差大，數據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，得不到預想中的規律。通過間歇式活性炭吸附實驗測得q、C一一相應之值，將費蘭德利希經驗式取對數后變換為下式：

logq=logK+1/nlogC

(1)

將logq、logC相應值點輸入作圖數據。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的吸附特性[7]。可以看出，本科實驗學生采用活性炭對檸檬酸的等溫吸附數據采用Freundlich方程的擬合度是比較高的，對于初次實驗，得到這樣的數據結果是值得肯定的。

2 活性炭吸附材料的試探

在實驗過程中，在現有實驗基礎上又增加了實驗的創新性，讓學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識，然后將其實驗數據進行分析整理，可更加深刻的認識到吸附的機理過程，從而加強對實驗目的本身的認識。

所測COD污水仍為檸檬酸，將粉末狀活性炭換為細狀活性炭和粗狀活性炭，創新點是將其置入過濾柱內(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中，前三根過濾柱用同一種細粒狀活性炭材料，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系

活性炭投加量與檸檬酸去除率的關系曲線(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到近60%，若要繼續增加投加量還可達到更高的去除率，但若對活性炭吸附量進行研究，即單位質量的吸附劑所吸附的物質質量，則沒必要進行大梯度的實驗。

由圖3整體來看，COD的去除率為上升狀態，其中結合圖2的去除效果來看，學生能直觀的觀察到，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了對不同粒度活性炭吸附性能的認識。

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、表面官能團分布、灰份組成和含量而表現出不同的吸附特性[8]。將不同類型的活性炭進行對比，根據實驗數據分析比較他們的吸附特點。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。所得實驗數據結果COD煤質碳去除率為12%，木質碳去除率為61%。

學生分析數據，可知兩種材質的活性炭對檸檬酸的吸附效果有很大的區別，木質活性炭對檸檬酸的吸附效果更好，在靜置1 h情況下，去除率可以達到60%多。煤質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，學生可從數據中明顯的得出木質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據分析比較后，學生對活性炭的吸附性能的影響因素有了更加深入的了解，并對吸附機理的理解更加透徹，提高了學生對實驗數據結果對比分析的能力。

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，孔結構豐富，吸附能力強，表面化學性質多樣等特性，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，吸附劑種類多，無二次污染等優點，在處理污水污染物是一種有效的方法[11]。

但亞甲基藍在前幾次實驗過程中，也存在些許不足。由于亞甲基藍印染性很強，在配置過程、實驗過程、后續處理過程中都極易對所接觸物體進行染色。這就對實驗的進行造成不便。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容易。

3.2 活性炭投加量與色度去除關系

由圖4可知，在所設計的實驗條件下，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生認識到當投加量達到一定量時，再增加投加量對脫色效率的影響意義不是很大，所以學生會清楚的明白一個吸附劑使用存在一個最經濟、最合適的投加量，使得成本與脫除效率都能達到一個很高的水平，而這個投加量的控制是值得學生關注的。

圖4 活性炭投加量對色度去除的影響

4 結語

只有經過反思的教學，才是更有效的教學。教學改革不是紙上談兵，要與實踐相結合。老師、學生積極參與教學改革，共同在課改中不斷的學習、不斷的實踐、不斷的反思。在該教學改革中不僅提高了學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用。經過一系列改革后，不僅按要求達到了實驗鍛煉學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據成果還使培養了學生對比分析，理論聯系實際，更加深刻的理解活性炭吸附實驗的相關知識。