基于+Aspen+Adsorption+的活性炭吸附溶液中镍离子的模拟研究

第30卷第4期 2013年4月28日计算机与应用化学

Computers and Applied Chemistry Vol.30, No.4April 28, 2013

基于Aspen Adsorption的活性炭吸附溶液中镍离子的模拟研究

刘金昌，曹俊雅，刘娟，解强*

(中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京，100083)

摘要：利用Aspen Adsorption对活性炭吸附溶液中镍离子的过程进行模拟研究。通过静态吸附实验数据拟合、吸附等温线常数项估算，建立了实验室规模的活性炭吸附溶液中镍离子的单塔吸附模型；在设置的进料流量为0.001 m3/s、进料浓度为 50 mg/m3的初始条件下，模拟计算获得了吸附塔出口液相中镍离子浓度随时间的变化和沿床层轴向的分布，并考察了进料浓度、进料流量和传质系数等对吸附过程和穿透曲线的影响。结果表明：模拟计算结果与实验结果基本吻合，模型假设、参数设置合理，研究条件下吸附床层在15000 s后被完全穿透；随进料镍离子浓度、进料流量的增大，吸附床层的穿透曲线均前移，进料流量的影响更为显著，进料镍离子浓度由50 mg/m3增大至5000 mg/m3时，穿透时间从3500 s提前至1500 s，而进料量由0.001 m3/s提高到0.002 m3/s时，穿透时间从3500 s即提前至1700 s；传质系数≤0.1 s-1时对吸附性能影响显著。模拟研究、计算为放大试验及实际工程应用工艺参数的选择提供了依据。关键词：活性炭；镍离子吸附；Aspen Adsorption；穿透曲线

中图分类号：TQ015.9; TP391.9; O6-39 文献标识码：A 文章编号：1001-4160(2013)04-439-442 DOI: 10.11719/com.app.chem20130425

1 引言

电镀镍具有可提高制品的抛光性、耐磨性和化学稳定性的特点，因而被广泛应用于珠宝、钢铁和造币等行业。目前，镀镍工艺仅次于镀锌，在电镀行业中位居第二。然而，电镀镍废水中的镍离子不仅污染环境而且危害人类健康[1]。采用活性炭吸附脱除镍离子、净化电镀废水是解决上述问题的有效技术途径之一。

活性炭已被广泛应用于污废水的深度处理[2]。目前，对增强活性炭吸附性能和优化污水处理工艺条件的研究成为热点[3-6]。然而，这些研究均以实验为主，工作量大、费时长、费用高，也不能有效考察传质系数等因素对吸附过程的影响。Aspen Adsorption（以前版本称Aspen Adsim）是AspenTech公司专门为模拟吸附过程而开发的一个软件，用于模拟、设计和优化气体、液体或者气液混合组分的吸附分离过程以及离子交换过程[7]。利用Aspen Adsorption模拟研究吸附过程，不仅可以减少实验工作量和费用、缩短工作时间，还可以探究实验过程中因实验设备等限制难以实现的工况。模拟结果对工艺条件的选择和优化具有指导作用。

迄今，利用Aspen Adsorption模拟研究吸附分离过程的相关文献较少，且以气体分离过程为主。杨彦钢[8]

、周圆圆[9]、Zhen Liu[10]等对多塔变压吸附过程进行模拟研究和优化，比较了不同工艺条件对吸附分离效果的影响。Hu Zhihui[11]等对柑橘油的吸附分离过程进行了模拟研究，并认为Aspen Adsorption是模拟复杂混合物动态吸附分离过程的有效工具。

本文以活性炭吸附镍离子的实验测试数据为依据，采用Aspen Adsorption软件对吸附过程进行模拟，探究活性炭床层吸附分离废水中镍离子的规律，为工程应用提供工艺参数选择的依据。

2 吸附过程的数学模拟与参数设置

2.1 模型假设

对活性炭吸附镍离子过程做了以下假设：（1）液相符合理想液体的性质，即没有黏性且不可压缩；（2）床层计算过程采用等温、绝热模型；（3）液相流动为活塞流并充满整个吸附床层，因吸附剂颗粒直径远远小于吸附床层内径，故可忽略液相流速、浓度沿吸附床层径向梯度的变化；（4）忽略床层轴向的物质扩散和压力降。 2.2 数学模型

吸附过程的几个数学模型[12-13]如下：（1）质量平衡方程

因模型假设只有对流而忽略了扩散，所以扩散系数EZ=0，因此液相中单组分的质量平衡方程如下：

?(vlck)?c?w

+εik+ρsk=0 (1) ?z?t?t

即：对流项、液相富集项和吸附剂吸附量三者变化

总和为0。

式中，νl 为液相折算流速，m/s；ck为组分k的摩尔浓度，kmol/m3；z为吸附床层轴向距离，m；εi为床层孔隙率，m3（空隙）/m3（床层）；t为吸附时间，s； ρs为吸附剂的堆积密度，kg/m3；wk为吸附组分k的含

收稿日期：2013-01-15; 修回日期：2013-03-12

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(新教师类，20110023120016)、中央高校基本科研业务费资助项目(2009KH10) 作者简介：刘金昌(1990—)，男，硕士研究生，E-mail: liujin.chang520@163.com 联系人：解强(1965—)，男，教授，博士生导师，E-mail: dr-xieq@cumtb.edu.cn

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表2 吸附剂和吸附床层主要参数量，kmol/kg。

Table 2 Parameters of adsorbent and adsorption column.

（2）动量平衡方程

变量数值单位变量意义

因为在模型假设时忽略了床层的压力降，所以动量Hb 0.5 m 吸附柱高度平衡方程不予设置。 Db 0.2 m 吸附柱内径

颗粒间空隙率 Ei 0.4 m/m3 （3）动力学模型

吸附剂堆积密度 RHOs 550 kg/m3 假设液相和固相之间只有对流传质，利用线性推动

传质系数 MTC 0.001 1/s

力来描述传质阻力，传质速率与吸附速率相等，并忽略

吸附等温参数 IP(1,”Ni2+”) 0.0247

扩散项。其方程为：

吸附等温参数 IP(2,”Ni2+”) 40.4858 ?wk0

=MTCs(wk?wk) ?t

式中，MTCs为固相传质系数，s-1；w0k为达到吸附

饱和时，k组分被吸附的量，kmol/kg。

（4）数值方法

采用一阶上风差分法（USD1，Upwind Differencing

Scheme1）作为模拟过程中偏微分方程的离散方法，其方

程为：

?ΓiΓi?Γi?1

?z=

Δz

(3) 2.3 参数设置

（1）物性数据

模拟计算中的物性数据和热力学方程均用AspenTech组件中的Aspen Properties进行设置，然后导入Aspen Adsorption中。

（2）参数估算

用活性炭对不同浓度的镍离子溶液进行吸附[14]，得到的静态吸附量如表1所示。

表1 静态吸附实验数据[14]

Table 1 Experimental data of static adsorption.

溶液Ni2+浓度/(mg/L)

滤液Ni2+浓度/(mg/L)

吸附量/(mg/L)

20 1.63 1.12

50 19.42 1.95

100 58.40 2.58

200 151.69 3.04

400 353.24 4.41 600 545.72 4.79 800 751.52 4.75

1000 984.41 4.68

根据静态吸附数据，用Aspen Adsorption的估算工

具(Estimation)对吸附等温参数进行估算。通过对吸附数

据的吸附等温特性拟合可得：活性炭吸附镍离子的过程

符合Langmuir模型。因此，选择Langmuir吸附等温线

作为拟合等温线，其方程为：

wIP1iIP2icii=1+IPc (4)

2ii运行模拟得到结果IP1，Ni2+=0.0247；IP1，

2+Ni=40.4858相关系数为0.9945。

（3）吸附剂和吸附床层主要参数

吸附剂和吸附床层的主要参数设置，见表2。

3 模拟结果与讨论 3.1 穿透曲线

模拟实验室规模的单柱吸附塔，设置进料流量为

0.001 m3/s（即处理量3.6 m3/hr），进料浓度为50 mg/m3，

进行模拟计算。图1所示为吸附塔出口液相中镍离子的

浓度随时间的变化情况。

Fig.1 Nickel ion concentration at outlet of adsorption column.

图1 吸附塔出口镍离子的浓度

由图1可见，在吸附的初期阶段，塔顶出口液相中几乎不含有镍离子。随着吸附量增大，床层逐渐饱和，在约3500 s时，传质区到达床层顶部，出口液相中的镍离子浓度开始增加。根据世界卫生组织（WHO）的规定，溶液中镍离子的最高浓度为0.02 mg/L[15]。若取镍离子浓度达到0.02 mg/L为穿透点，由图可以判断，

4800 s之后，出口液相中镍离子浓度超过0.02 mg/L，床层被穿透。随后，镍离子浓度迅速上升，15000 s后，床层被完全穿透，丧失吸附能力，此时出口处液相镍离子浓度与进料处镍离子浓度相等。通过静态吸附实验发现[14]，14400 s之后，活性炭对镍离子的吸附量几乎饱和，与模拟结果基本相符，相对误差为4.17%。这表明，按照上述假设条件和参数设置的模型能够比较准确地描述活性炭吸附镍离子的过

程，结果具有较佳的可参考性。 3.2 吸附床层负载轴向分布设置进料流量为0.001 m3/s，进料浓度为 50 mg/m3，通过记录不同时间点吸附剂的吸附量随床层高度的变化得到床层负载轴向分布关系（沿床层轴向的

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镍离子浓度分布关系）。图2所示为不同时间镍离子浓度的轴向负载分布。

Fig.2 Axial distribution of nickel ion adsorption quantity.

图2 镍离子吸附量轴向分布

由图2可见，0 s时，床层中没有镍离子被吸附。随着吸附过程的进行，床层底部首先形成了浓度分布曲线，并向床层顶部移动。4000 s时，传质区的顶部到达床层顶部，床层被穿透。15000 s时，床层出口处镍离子浓度与进料处镍离子的浓度相等，床层被完全穿透，丧失吸附能力。从图2还可看出传质区的变化规律，即在吸附过程中，传质区一直沿着轴线向床层顶部移动，而长度并没有发生变化。

3.3 进料浓度对吸附过程的影响

图3所示为进料流速为0.001 m3/s时，镍离子浓度分别为50 mg/m3、500 mg/m3、5000 mg/m3的穿透曲线。

Fig.3 Effects of feed concentration on adsorption process.

图3 进料浓度对吸附过程的影响

镍离子进料浓度从50 mg/m3增大到500 mg/m3时，

开始穿透时间从3500 s提前到3100 s；当镍离子进料浓

度为5000 mg/m3，开始穿透时间为1500 s。可见随镍离

子进料浓度升高，穿透时间前移，并且浓度越高，穿透

时间提前的趋势越大。由图还可看出，进料浓度为 50 mg/m3时，床层从开始穿透到完全穿透用了11500 s；而进料浓度为5000 mg/m3时，床层从开始穿透到完全穿