《废水的物理化学处理方法吸附课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《废水的物理化学处理方法吸附课件（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Chen Shuixia/Zhongshan University,第四章 废水的物理化学处理方法,利用物理化学作用去除废水中的污染物的一类水处理技术。包括萃取、汽提、吸附、离子交换、膜分离等方法。,一、吸附法,吸附的定义及概念： 当两相组成一个体系时，其组成在两相界面(interface)与相内部是不同的，处在两相界面处的成分产生了积蓄(浓缩)。这种现象称为吸附(adsorption)。已被吸附的原子或分子，返回到液相或气相中，称之为解吸或脱附(desorption)。其中被吸附的物质称为吸附质，固体物质称为吸附剂。 原子或分子从一个相大体均匀地进入另一个相的内部(扩散)，称为吸收(abso
2、rption)，它与吸附是不同的 Adsorption: A mass transfer operation in which a constituent, an organic compound, is transferred from solution or gas phase onto surface of a solid phase. Adsorbate: Organic compound being transferred from solution or gas phase onto surface of a solid phase. Adsorbent: Solid phase
3、onto which organic compound is transferred. Activated carbon is most commonly used adsorbent in environmental engineering.,Chen Shuixia/Zhongshan University,1.1 吸附的基本概念,吸附机理的分类： 由于被吸附物与吸附剂之间吸附力的不同，吸附又可分子物理吸附和化学吸附。 物理吸附(physical adsorption) ：它是吸附剂分子与吸附质分子间吸引力作用的结果，因其分子间结合力较弱，故容易脱附。 化学吸附(chemical adso
4、rption) ：是由吸附质与吸附剂分子间化学健的作用所引起，其结合力比物理吸附大得多，放出的热量也大得多，与化学反应热数量级相当，过程往往不可逆。 吸附机理的判断依据： 化学吸附热与化学反应热相近，比物理吸附热大得多。 化学吸附有较高的选择性。物理吸附则没有很高的选择性。 化学吸附时，温度对吸附速率的影响较显著，温度升高则吸附速率加快，因其是一个活化过程，故又称活化吸附。而物理吸附即使在低温下，吸附速率也可能较大，因它不属于活化吸附。 化学吸附总是单分子层或单原子层，而物理吸附则不同，低压时，一般是单分子层，但随着吸附质分压增大，吸附层可能转变成多分子层。,Chen Shuixia/Zhon
5、gshan University,吸附平衡,吸附平衡：在一定温度和压力下，当流体(气体或液体)与固体吸附剂经长时间充分接触后，吸附质在流体相和固体相中的浓度达到平衡状态，称为吸附平衡 吸附等温线：等温下单位质量吸附剂的吸附容量q与流体相中吸附质的分压p (或浓度C)间的关系表示，称为吸附等温线。由于吸附剂和吸附质分子间作用力的不同，形成了不同形状的吸附等温线。,Adsorption amount,Concentration of adsorbate,Chen Shuixia/Zhongshan University,1.2 吸附等温线的分类,Brunauer、Emmett和Teller等将典型
6、的归纳成五类,Chen Shuixia/Zhongshan University,吸附等温线,第类吸附等温线首先被郎缪尔单分子层吸附方程解释。需要指出的是，除了单分子层吸附表现出第类吸附等温线外，当吸附剂仅有20-30以下的微孔时，虽发生了多层吸附与毛细孔凝聚，其吸附等温线仍可表现为第类型。这是因为相对压力由零急剧增加时，发生多层吸附的同时也发生了毛细孔凝聚，使吸附量急剧增加，而一旦将所有的微孔填满后，吸附量便不再随相对压力而增加，呈现出吸附饱和。总之，只要有明显的吸附和凝聚饱和现象出现，其吸附等温线都可表现为第类型。,Chen Shuixia/Zhongshan University,吸附等
7、温线,第类型吸附等温线可用BET方程及凯尔文方程解释。呈第类型吸附等温线的吸附剂，在其表面上发生了多层吸附。这种吸附剂有50以上的孔，并且，孔径一直增加到没有尽头。吸附质在吸附剂上吸附时其第一层吸附热比吸附质的液化热的数值大，故BET方程中的C1。故等温线的起始部分呈缓慢上升并向上凸的形状。在后半段，由于发生了毛细孔凝聚，吸附量便急剧增加，吸附等温线急剧上翘。由因为孔的孔径范围由小至大至没有尽头，故吸附等温线向上翘而不呈现饱和状态。,Chen Shuixia/Zhongshan University,吸附等温线,第类型吸附等温线的吸附剂，其表面和孔分布情况与第类型的相同，只是吸附质与吸附剂的相
8、互作用性质与第类的有区别，吸附质在吸附剂上吸附时其第一层吸附热比吸附质的液化热的数值小，故BET方程中的C1。故在吸附等温线的起始部分，因x1,吸附等温线向上翘、向上凹。等温线后半段发生的情况则与第类型的理由一样。,对于第和第类吸附等温线的解释，可以将第类与第类对照，将第与第对照。可以看出，他们的区别只是，在发生第类吸附等温线的吸附剂中其大孔的孔径范围有一极限值，因此，在高压时出现饱和吸附而使等温线呈饱和现象。第类也是同样的理由。,Chen Shuixia/Zhongshan University,1.3 吸附模型与吸附方程,Langmuir方程 朗格缪尔吸附模型假定条件为： 吸附是单分子层的
9、，即一个吸附位置只吸附一个分子； 被吸附分子之间没有相互作用力； 吸附剂表面是均匀的。 上述假定条件下的吸附称为理想吸附。 吸附速率与吸附质气体分压和吸附剂表面上吸附位置数成正比。若用表示吸附剂表面上已被吸附的位置的分率，则吸附速率为：kp(1-)。已被吸附的分子会从固体表面逸出，称为脱附。显然脱附速率与已被吸附的位置数“也成正比，即脱附速率为：k。吸附平衡时，吸附速率与脱附速率相等，即达到了动态吸附平衡，可表示为：,q 实际吸附量 qm吸附剂的的最大吸附量； k1朗格缪尔常数 p吸附质在气体混合物中的分压；,Chen Shuixia/Zhongshan University,吸附模型与吸附方
10、程,BET方程(Brunauer、Emmett、Teller) BET模型假定条件 、吸附剂表面上可扩展到多分子层吸附； 、被吸附组分之间无相互作用力，而吸附层之间的分子力为范德华力； 、吸附剂表面均匀； 、第一层的吸附热为物理吸附热，第二层以上为液化热； 、总吸附量为各层吸附量的总和； 每一层都符合Langmuir公式。 BET模型方程,q达到吸附平衡时的平衡吸附量； qm第一层单分子层的饱和吸附量； p 吸附质的平衡分压； p0吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压 k 与吸附热有关的常数,适用范围为 p/p00.050.35,Chen Shuixia/Zhongshan University,吸附
11、模型与吸附方程,Freundlich方程,kf-与吸附剂的种类、特性、温度等有关的常数 n-与温度有关的常数，且n1。kf和n都由实验测定,弗鲁姆金-焦姆金公式,式中a, b都是常数。这个公式也只适用于覆盖率不大(或中等覆盖率)的情况,巴兰尼(Polanyi)吸附位能理论,巴兰尼提出吸附剂的表面是被等位能面所包围的。等位能面所包围的容积称为吸附空间体积。吸附位能可表示为： 微孔吸附剂对气体的吸附等温方程为：,Chen Shuixia/Zhongshan University,1.4 吸附速度,随着吸附的进行，被吸附组分的浓度逐渐变小，并趋近于平衡。而在达到吸附平衡的过程中，吸附速度则随吸附物质
12、及吸附剂的种类不同而不同。 班厄姆(Bangham)公式 朗缪尔公式 吸附速度的控制步骤 在吸附剂周围的流体界膜内，组分物质的迁移速度。 在吸附剂颗粒内，被吸附组分的扩散速度。 吸附剂内部表面上的吸附反应速度。,Chen Shuixia/Zhongshan University,液相吸附平衡,液相吸附时，溶质和溶剂都可能被吸附。因为总吸附量难以测量，所以只能以溶质的相对吸附量或表观吸附量来表示。若忽略溶液体积变化，则溶质的表观吸附量可表示为：,液相吸附时，除了由于吸附剂的种类不同外，所用溶剂种类不同，也会使等温吸附曲线产生差异。所以比气相吸附要复杂得多。这主要是由于被吸附物质溶解度的影响、溶剂
13、本身吸附的影响以及因溶剂不同而使被吸附物质分子的大小也有差异等原因而引起的。当溶剂本身的吸附不能忽略时，必须按照混合吸附的情况来处理。,Chen Shuixia/Zhongshan University,影响吸附的因素,吸附剂的性质： 吸附剂的物理和化学性质均会影响吸附效果。具有良好吸附性能的吸附剂应具有较大的比表面积，合适的孔隙结构，良好的再生能力机械强度、热稳定性及化学稳定性。 废水中污染物的性质 污染物的溶解度 溶解度越小的污染物，越容易被吸附。 污染物的极性 极性的吸附剂容易吸附极性物质而非极性的吸附刑容易吸附非极性物质。 污染物的分子大小 只有分子直径小于吸附剂孔径的分子才能进入孔隙
14、而被吸附，当吸附速率由内扩散控制时，吸附质分子大小的影响更加明显。 污染物的组成 不同污染物被吸附剂吸附的先后顺序吸附量的多少、吸附的牢固程度都不相同，这些情况较为复杂，一般通过实验来确定。 吸附过程的操作条件 温度 废水的吸附处理主要是物理吸附过程。因此，温度变化影响较小。不少污染物低温时溶解度降低，有利于吸附，但低温时废水粘度增大，又不利于吸附质向微孔扩散。一般足在常温下吸附，高温下解吸。 接触时间 要保证吸附剂与吸附质有适当的接触时间，影响接触时间的因素是废水流速与吸附剂床层高度，流速越大所需要的高度也越大，吸附装置的高径比也越大，一般比值为26之间。 pH值,Chen Shuixia/
15、Zhongshan University,水溶液中，活性碳对有机物的吸附有如下的特点 在同系列的有机物中，分子量越大，则吸附量也越多，即Traube定律。 溶解度越小的有机物，即疏水性越高的有机物，越容易被吸附。 一般来说，当分子的大小相同时，芳香族化合物比脂肪族化合物更容易被吸附。 有支链的化合物比直链化合物容易被吸附。 在有机物中，因交换基团的位置不同或者对于同分异构体，活性碳对他们的吸附能力也有差异。 影响水溶液吸附的因素还用温度、溶液的pH值、活性炭的灰分、孔分布等。,Chen Shuixia/Zhongshan University,吸附剂的种类,活性炭 是具有非极性表面，是一种疏水
16、性和亲有机物的吸附剂，故又称为非极性吸附剂。 活性炭的优点：是吸附容量大，抗酸耐碱、化学稳定性好，解吸容易，在高温下进行解吸再生时其晶体结构不发生变化，热稳定性高，经多次吸附和解吸操作，仍能保持原有的吸附性能。 硅胶 一种坚硬无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，是一种亲水性极性吸附剂。因其是多孔结构，比表面积可达350m2g左右。工业上用的硅胶有球型、无定型、加工成型及粉末状四种。 活性氧化铝 活性氧化铝为无定形的多孔结构物质，一般由氧化铝的水合物(以三水合物为主)加热，脱水和活化制得，其活化温度随氧化铝水合物种类不同而不同，一般为250500。孔径约从20到50。典型的比表面积为200500m2/g。,Chen Shuixia/Zhongshan University,Structure of GAC,GAC manufactured from coconut shells,Chen Shuixia/Zhongshan University,分子筛 沸石吸附剂是具有特定而且均匀一致孔径的多孔吸附剂，它只能允许比其微孔孔径小的分子
