活性炭吸附脱色实验的改革与实施

王淑勤，陈司晗

(华北电力大学 环境科学与工程系，河北 保定 071003)

学校教学和实践锻炼相结合的人才培养体系,重视养成学生的革新能力、科学创造性思维和敢于克服难题的能力[1]。环境工程作为华北电力大学的双一流建设专业，在研究性教学试点课程《水污染控制工程》的教学改革已经进行了五年。为了更好的体现华北电力大学“研究型、国际化”的办学特色，我们对现有的实验项目进行了设计性改革[2-3]，让学生主动参与到实验教学中，培养学生运用专业知识分析问题、解决问题的能力，自主学习、探索研究及团队协作等综合能力的锻炼。同时我们也对综合性实验—活性炭吸附脱除COD脱色实验进行了全面的考量[4]，找到实验课程的不足，进一步优化实验条件。为此我们主要从以下方面进行改革。

1 活性炭对COD吸附性能测定方法的改革

1.1 测试方法的选择对比

测定COD若用酸性重铬酸钾，虽然其优点操作简单，测定的结果重现性好，但是伴随的缺点同样明显，如：试剂有毒，且用量较多，样品需求量大，分析结果时间长[5]。而高锰酸钾法虽然氧化率在50%左右，但简便同时避免Cr6+的影响，适合测定污染不严重的水样和有机物含量相对比较值时[6]。工业污水和生活污水含有复杂的污染物，宜采用重铬酸钾法。在综合考虑能耗、时间、实验目的等因素后，高锰酸钾法测定水中的COD更加适合学生的实验。但测定 COD实验的课程开设，并不是简单的让学生进行测定，而是更加综合性的与活性炭的吸附性能实验结合在一起，其开设只需要配置好含有有机物的污水，其余的全部由学生操作，更加全面锻炼了学生。

1.2 吸附质的选择对比

前期实验选用的测定COD所用污水为苯酚(Phenol，C6H5OH)，有特殊气味，在进行配备时，其常温下微溶于水的特性也是比较麻烦的一步，由本科实验学生做出来的效果也并不是特别出色，而且苯酚存在腐蚀，接触后可使蛋白质变性，其溶液不小心沾到皮肤上也易受伤，实验过程中的安全是首要问题。经过多项对比考虑之后，实验室将柠檬酸(Citric Acid，C6H8O7)作为测定COD的污水。其无臭，易溶于水，易进行配备，且对人身体无害等多项优点值得我们将它作为替换材料，最后结合本科实验数据来看，相对比较之下的替换还是很适合的。

根据预实验的进行情况，我们将活性炭的量定为0、100、300、500、700 mg粉状活性炭在经30 min震荡吸附后测定COD。活性炭的吸附能力以吸附量q表示。

根据近些年实验进行过程，学生因为操作不熟练，滴定误差大，数据作图后得不到理想中的等温线，计算出的斜率，截距差别很大，得不到预想中的规律。通过间歇式活性炭吸附实验测得q、C一一相应之值，将费兰德利希经验式取对数后变换为下式：

logq=logK+1/nlogC

(1)

将logq、logC相应值点输入作图数据。如图1所示。

图1 粉末活性炭吸附柠檬酸的吸附等温线

吸附等温线用于描述吸附剂对吸附质的吸附特性[7]。可以看出，本科实验学生采用活性炭对柠檬酸的等温吸附数据采用Freundlich方程的拟合度是比较高的，对于初次实验，得到这样的数据结果是值得肯定的。

2 活性炭吸附材料的试探

在实验过程中，在现有实验基础上又增加了实验的创新性，让学生在活性炭吸附性能测定中，更加全面的可以从活性炭投加量，活性炭粒度，不同种类活性炭等因素对吸附实验的影响认识，然后将其实验数据进行分析整理，可更加深刻的认识到吸附的机理过程，从而加强对实验目的本身的认识。

所测COD污水仍为柠檬酸，将粉末状活性炭换为细状活性炭和粗状活性炭，创新点是将其置入过滤柱内(柱直径3.2 cm)，静置一个小时后，放出，测其COD。其中将粒状活性炭按不同高度装在四根过滤柱当中，前三根过滤柱用同一种细粒状活性炭材料，但高度依次不同。最后一根过滤柱用粗粒状活性炭，但高度与最高的粒状活性炭同高。

2.1 活性炭投加量与柠檬酸去除率的关系

活性炭投加量与柠檬酸去除率的关系曲线(初始所测COD污水浓度在0.2g/L左右)如图2、图3所示。

图2 投加量对COD去除的影响

图3 投加量(高度)对COD去除的影响

由图2可以直观的得出，COD的去除效率在所设计的条件下，总体上与活性炭投加量成正比。COD脱除效率在初始状态增长较快，随着活性炭投入量的增加，脱除效率坡度变缓,但从整体的效果来看，活性炭对柠檬酸还是有很好的去除率。0.7 g的活性炭就可以使柠檬酸的去除率达到近60%，若要继续增加投加量还可达到更高的去除率，但若对活性炭吸附量进行研究，即单位质量的吸附剂所吸附的物质质量，则没必要进行大梯度的实验。

由图3整体来看，COD的去除率为上升状态，其中结合图2的去除效果来看，学生能直观的观察到，粉末状和粒状活性炭的吸附性能差距较大。从而在实验对比中加强了对不同粒度活性炭吸附性能的认识。

2.2 活性炭类型的吸附性能比较

活性炭因其不同的孔型、孔径分布、表面官能团分布、灰份组成和含量而表现出不同的吸附特性[8]。将不同类型的活性炭进行对比，根据实验数据分析比较他们的吸附特点。初始浓度为0.2 g/L的柠檬酸溶液，在投加等高度(32.0 cm)的不同材质活性炭于过滤柱中，然后再向柱中加入160 mL的柠檬酸，静置1 h。所得实验数据结果COD煤质碳去除率为12%，木质碳去除率为61%。

学生分析数据，可知两种材质的活性炭对柠檬酸的吸附效果有很大的区别，木质活性炭对柠檬酸的吸附效果更好，在静置1 h情况下，去除率可以达到60%多。煤质活性炭对柠檬酸的去除率在10%左右，去除率比较低。在比较之下，学生可从数据中明显的得出木质活性炭是比较理想的吸附柠檬酸的材料。

通过这几组的实验数据分析比较后，学生对活性炭的吸附性能的影响因素有了更加深入的了解，并对吸附机理的理解更加透彻，提高了学生对实验数据结果对比分析的能力。

3 活性炭对色度去除实验方法的改革

3.1 脱色废水种类的选择对比

亚甲基蓝是水溶性偶氮染料的代表性化合物，含有这种染料的印染废水高度污染并且难以生物降解。活性炭比表面积大，孔结构丰富，吸附能力强，表面化学性质多样等特性，适合于处理含有染料，重金属等废水[9-10]。与其他处理方法相比，吸附法具有工艺简单，可操作性强，吸附剂种类多，无二次污染等优点，在处理污水污染物是一种有效的方法[11]。

但亚甲基蓝在前几次实验过程中，也存在些许不足。由于亚甲基蓝印染性很强，在配置过程、实验过程、后续处理过程中都极易对所接触物体进行染色。这就对实验的进行造成不便。而改用番红花红T之后，情况明显改观，尤其是在实验仪器清洗方面，在盛放红色颜料后，仪器的清洗显著比盛放亚甲基蓝容易。

3.2 活性炭投加量与色度去除关系

由图4可知，在所设计的实验条件下，废水的色度去除效果还是很明显的，在活性炭投加量为0.1 g时，色度的去除率就达到了80%。但后期随着投加量的增加其去除率的增长速率下降明显，实验整体的去除率保持在90%左右。实验的对比使实验学生认识到当投加量达到一定量时，再增加投加量对脱色效率的影响意义不是很大，所以学生会清楚的明白一个吸附剂使用存在一个最经济、最合适的投加量，使得成本与脱除效率都能达到一个很高的水平，而这个投加量的控制是值得学生关注的。

图4 活性炭投加量对色度去除的影响

4 结语

只有经过反思的教学，才是更有效的教学。教学改革不是纸上谈兵，要与实践相结合。老师、学生积极参与教学改革，共同在课改中不断的学习、不断的实践、不断的反思。在该教学改革中不仅提高了学生的参与性和积极性，更加深了对实验课程本身的深刻理解和实践运用。经过一系列改革后，不仅按要求达到了实验锻炼学生分析问题和解决问题的能力的目的，最后通过一系列的数据成果还使培养了学生对比分析，理论联系实际，更加深刻的理解活性炭吸附实验的相关知识。