水质工程学第6章_吸附

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1、第六章 吸附,6.1 吸附概述 6.2 活性炭吸附 6.3 活性炭吸附的应用 6.4 活性炭的再生 6.5 水处理中的其它吸附剂,6.1 吸附概述,6.1.1 概念 吸附：在两相界面层中，某物质的浓度自动发生富集的现象。 在水处理中，主要介绍利用固体物质表面对水中物质的吸附作用，即固液界面上的吸附： 吸附法：是利用多孔性的固体物质，使水中的一种或多种物质被吸附在固体表面而去除的方法。 吸附剂：具有吸附能力的多孔性固体物质。 吸附质：废水中被吸附的物质。,6.1.2 吸附的分类 根据固体表面吸附力的不同，吸附可分为以下两种类型：物理吸附、化学吸附。 1. 物理吸附：吸附剂和吸附质之间通过分子间的

2、力（范德华力）产生的吸附称为物理吸附。 物理吸附是一种常见的吸附现象，一般在较低温度下进行。由于吸附是分子间力引起的，所以吸附热较小，一般在41.9kJmol以内，一般属于放热反应。物理吸附因不发生化学作用，所以在低温下就能进行。,物理吸附可形成单分子吸附层或多分子吸附层。 由于分子间力是普遍存在的，所以一种吸附剂可吸附多种吸附质。形成多分子吸附层。 但由于吸附剂和吸附质的极性强弱不同，某一种吸附剂对各种吸附质的吸附量是不同的。 被吸附的分子由于热运动还会离开吸附剂表 面，这种现象称为解吸。吸附解吸是可逆过程。,2.化学吸附,化学吸附是吸附剂和吸附质之间发生的化学作用， 是由于化学键力引起的吸

3、附。 化学吸附一般在较高温度下进行，吸附热较大，相当于化学反应热，一般为83.7418.7kJmol。 一种吸附剂只能对某种或几种吸附质发生化学吸附，因此化学吸附具有选择性。 由于化学吸附是靠吸附剂和吸附质之间的化学键力进行的，所以吸附只能形成单分子吸附层。 当化学键力大时，化学吸附是不可逆的。,物理吸附和化学吸附并不是孤立的，往往相伴发生。 在水处理中，大部分的吸附往往是几种吸附综合作用的结果。 由于吸附质、吸附剂及其它因素的影响，可能某种吸附是主要的。例如有的吸附在低温时主要是物理吸附，在高温时主要是化学吸附。,说明,6.1.2 吸附等温模型,定义：在恒温且吸附达到平衡状况下，单位吸附剂的

4、吸附容量和平衡溶液浓度之间的关系曲线，称为吸附等温线。 （1）吸附平衡 当吸附质的吸附速率=解吸速率（即V吸附=V解吸），即在单位时间内吸附数量等于解吸的数量，则吸附质在溶液中的浓度Ce与在吸附剂表面上的浓度都不再变时，即达到吸附平衡，此时吸附质在溶液的浓度Ce叫平衡浓度。,（2）吸附量qe(g/g) 衡量吸附剂吸附能力大小的参数。即达到吸附平衡时，单位重量的吸附剂（g）所吸附的吸附质的重量（g）。 式中：V废水容积； W活性炭投量，g C0废水吸附质浓度（g/L） Ce吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度(g/L) 平衡浓度,（3）吸附等温式 在一定T下，q随吸附质的平衡浓度C而变化的曲线（q=f

5、(Ce)）叫吸附等温线。用数学公式描述则叫吸附等温式。 （4）吸附等温式（三种，液相还没有统一的理论） 朗谬尔（Langmuir）吸附等温式 弗里德利希（Freundlich）吸附等温式,费兰德利希（Freundlich）公式 单一组 分溶液中溶质的吸附,取对数可将等式线型化： 1/n越小，吸附性能越好，1/n=0.10.5，容易吸附； 1/n2，则难吸附。 K值越大吸附容量越大，反之，吸附容量小。,1. Langmuir等温式,该公式是在被吸附物质仅为单分子层的假定下导出的，形式为：,qmax为饱和吸附量，常数b与表面吸附能有关，当吸附力增大b值也相应增加。,其中：b=k1/k2。又因为：,

6、设为吸附剂表面被覆盖的百分比，1- 为裸露表面百分比，吸附速率与1-成正比，脱附速率与成正比，则在吸附达到平衡时：,两边取倒数，可处理成直线的形式：,将上两式联立，可得：,当Ce很大，qe越接近qmax。当Ce很小，qe与Ce成直线关系。,2. 吸附速度 指单位重量的吸附剂在单位时间内吸附的物质的量。 吸附速度V决定了废水和吸附剂的接触时间，V越大，则接触时间越短，所需设备容积就越小，反之亦然。,吸附速度决定于吸附剂对吸附质的吸附过程。吸附过程一般分为3个阶段： 颗粒外部扩散阶段 颗粒内部扩散阶段 吸附反应阶段。 活性炭的吸附速度大小受下列因素影响： 溶液浓度C，则V； 颗粒直径d，则V； d

7、,V。所以，粉末状活性炭比粒状活性炭的吸附速度要快，接触时间短，设备容积小。 加强搅动，则V。,6.2 活性炭吸附,水处理中常用的吸附剂有活性炭、磺化煤、活化煤、沸石，活性白土、硅藻土、腐植质、焦炭、木炭、木屑等。 本节着重介绍在水处理中应用较广的活性炭吸附剂。包括以下几方面内容： 活性炭的制造 活性炭的细孔构造和分布 活性炭的表面化学性质,6.2.1 活性炭的制备 活性炭是用含炭为主的物质(如木材、煤)作原料，经高温炭化和活化而制成的疏水性吸附剂，外观呈黑色。活性炭的制造过程如图61： 图61 活性炭的制造过程示意图 粉末状活性炭 粒状活性炭（圆柱状、球状），粒径24mm 棒状活性炭：50m

8、m，L=255mm,木材、煤 果壳,隔绝空气,高温炭化，600,炭渣,活性炭,活化,800900,活化剂：ZnCl2,炭化是把原料热解成炭渣，生成类似石墨的多环芳香系物质； 活化是把热解的炭渣成为多孔结构。活化方法有药剂法和气体法两种。 药剂活化法常用的活化剂有氯化锌、硫酸、磷酸等。粉状活性炭多用氯化锌为活化剂。活化炉用转炉。 气体活化法一般用水蒸气、二氧化碳、空气作活化剂。粒状炭多采用水蒸气活化法，以立式炉或管式炉为活化炉。,6.2.2 活性炭的性质,1.物理性质 巨大的比表面积（1000m2/g）吸附性能好； 发达的孔隙结构微孔、中孔、大孔；,图62 活性炭孔隙分布示意图,a 微孔 尺寸1

9、2nm， 小孔容积一般为0.15 0.90mLg，表面积占比表面积的95以上。 微孔的作用：活性炭小孔的表面积占比表面积的95以上，起吸附作用，吸附量以小孔吸附为主。 由于活性炭的原料和制造方法不同，细孔的分布情况相差很大，应根据吸附质的直径和活性炭的细孔分布情况选择合适的活性炭。,b 大孔 尺寸25nm。 大孔容积一般为0.20.5mLg，表面积只有0.52m2g。 大孔的作用：占比表面积很小，吸附量小，提供通道。 它主要为吸附质的扩散提供通道，使吸附质通过此通道扩散到中孔和小孔中去。,c 中孔 尺寸12或25nm， 过渡孔容积一般为0.020.10mLg，其表面积占比表面积的5以下。 中孔

10、的作用:占比表面积5%，吸附量不大，起吸附作用和通道作用。即可为吸附质的扩散提供通道，促使吸附质通过它扩散到小孔中去，当吸附质的分子直径较大时，小孔几乎不起作用，活性炭对吸附质的吸附主要靠过渡孔来完成的。,粒状炭和粉末炭 粒状炭：直径大于0.1mm，利于再生，回收和再利用方便； 粉末炭：直径小于0.074mm，不利于再生，回收和再利用困难； 密度（视密度、真密度、湿密度、床密度）、强度、灰份。,2.活性炭的化学性质,活性炭是由形状扁平的石墨型微晶体构成的。处于微晶体边缘的炭原子，由于共价键不饱和而易与其它元素如氧、氢等结合形成各种含氧官能团：酸性官能团和碱性官能团。酸性官能团官具有极性，主要吸

11、附极性较强的化合物。 目前对活性炭含有官能团(又称表面氧化物)的研究尤其对碱性官能团的研究还不够充分，但已证实的有OH基、COOH基等。,吸附性能用碘值、糖蜜值表示： 碘值：在一定条件下活性炭吸附碘的量，表 示活性炭吸附小分子物质的吸附性能； 糖蜜值：表示活性炭吸附大分子物质的吸附 性能,3.活性炭的吸附性质,1.吸附剂的性质：吸附剂的种类、颗粒大小、比表面积，颗粒的细孔构造与分布、吸附剂是否是极性分子等。 2.吸附质的性质： （1）疏水性：疏水性越强越容易吸附。同系物的疏水性随分子量的增大而增大。但是当分子量增大到一定的程度后，分子过大难易进入到活性炭空隙中，会降低吸附量。,6.2.3 影响

12、活性炭吸附性能的因素,（2）极性：根据相似相溶原理，分子的极性越大越不容易吸附。 （3）吸附质分子的大小和不饱和度。 活性炭：易吸附分子直径较大的饱和化合物 合成沸石：易吸附分子直径小的不饱和化合物 （5）吸附质的浓度较低时，提高C可增加吸附量。达到饱和以后C，q增加很小，直至为一定值。,3.废水的pH值 活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液中吸附效果较好。 4.共存物质； 5.温度：对于物理吸附，T高则不利，吸附量减少。 6.接触时间：应保证吸附达到平衡时的时间，而该时间的大小取决于吸附速度V，V大则所需时间短。,7.活性炭与水处理化学药剂的反应 活性炭是一种具有还原性的物质，因此在水处理 过

13、程中，活性炭常常和氧化性的物质发生反应，例 如活性炭和水中游离氯的反应可能是： HClO+C*C*O+H+Cl- 这些反应可用于去除水中的游离氯。,6.2.4 竞争吸附,1.两组分竞争吸附模：,对于m种吸附质：,6.2.5 活性炭吸附过程,1.穿透曲线 对于粒状活性炭，当水连续地通过吸附装置 时，随着时间的推移，出水中污染物的浓度逐渐 上升，这称为污染物的穿透现象。当整个吸附装置 达到饱和后，出水中的污染物浓度几乎与进水相 同，吸附装置失效。以时间为横坐标，以出水中污 染物的浓度为纵坐标，将出水中污染物的浓度随时 间变化作图，得到的曲线称为穿透曲线。,Ct,t,CB,CA,B,饱和点,tA,t

14、B,穿透点,穿透曲线示意图,2.吸附带 吸附过程中在活性炭层中有一段特殊的位置，活性炭对于污染物的吸附集中发生在该段中，该段前端的活性炭可以看做未发生吸附，后端的活性炭已达到饱和。则该段活性炭称为吸附带（MTZ）。 在吸附带中，活性炭的饱和程度从0到100%。当吸附装置开始过滤时，吸附带处于活性炭上部；当表层饱和后，吸附带逐渐下移，当吸附带移至活性炭下沿时，炭层穿透。由于吸附带中的炭不能完全被利用，所以吸附带的长度将影响整个碳层的使用率。,吸附速度越快，吸附带的长度越短，吸附柱的利 用率越高。吸附带长度 的计算方法：,3.空床接触时间 空床接触时间（EBCT）是吸附接触装置的重要参数，表示在吸

15、附装置中不加任何填料的情况下过水的水力停留时间。其计算公式为： 由于Q已固定，EBCT的大小决定于V的大小。从经济性上看，其值越小越好，从吸附效果上看，其值越大越好。,4.临界穿透浓度及吸附柱临界深度 临界穿透浓度是指可以接受的污染物最大出水浓度。 运行一开始就导致出水浓度等于临界穿透浓度的吸附柱深度。其值与EBCT存在如下关系：,5.活性炭利用率（CUR）。 其定义是：处理单位水量所需要的活性炭质量，即：,6.3.1 活性炭吸附的功能 去除臭和味 去除总有机碳 去除消毒副产物前驱物 去除挥发性有机物 人工合成有机物的去除,6.3 活性炭吸附的应用,6.3.2 粉末活性炭的应用,粉末活性炭粒度

16、小、接触面积大，吸附速度快、效果好。但是再生困难，因而运行费用较高。 1.投加量：根据活性炭的吸附能力和水质确定，一般为220mg/L。往往需做模拟实验确定。 2.接触时间：不同类型的化合物，吸附所需的接触时间不同。,3.投加点的选择： 吸水口投加：有充分的的接触时间，混合较充分。但是活性炭的用量大； 快速混合器前：混合效果好。但是由于混凝剂的包裹作用会降低吸附效率； 沉淀池出水处：可有效利用粉末炭的容量，但由于粉末炭粒径过小可能会穿透滤池进入滤池的配水系统； 在快速混合器之前单独建接触吸附池，进行吸附； 多点分段投加；,3.投加方式 干投加：直接投加炭粉； 湿投加：将炭粉与水混合制成炭浆，由射流泵打入投加点。 湿投加往往需要一套完整的设备，由炭浆存储池体、混合搅拌装置、粉末炭装卸装置、灰尘控制与收集装置、射流装置、以及采样点和压力表组成。,5.粉末炭应用的其他方式： 哈贝雷工艺； 粉末炭活性