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1、水污染控制工程Water Pollution Control Engineering唐玉朝唐玉朝 安徽建筑工业学院环境科学与工程系安徽建筑工业学院环境科学与工程系 E-mail: E-mail: Department of Environmental Science and Department of Environmental Science and Engineering, , AnhuiAnhui University of University of Architecture Copyright Reserved! 课程内容n第五节 吸附吸附原理, 吸附等温式, 吸附剂, 吸附工艺n
2、第六节 离子交换离子交换原理, 交换树脂,交换平衡与计算吸附法Water Pollution Control Engineering吸附n吸附概述n吸附等温式n吸附剂n吸附速率n吸附工艺n吸附设计简介吸附n 1.1吸附原理：固体表面的分子或原子因为受力不均匀具有剩余的表面能，该力能够吸引其他物质在固体的表面上。固体称吸附剂，被吸附的称吸附质，吸附的结果是吸附质在吸附剂表面浓缩，而吸附剂的表面能降低。 Water Pollution Control Engineering1. 吸附概述吸附在水污染控制工程中吸附指利用多孔性的固体物质吸附水中污染物质到固体物质表面从而将污染物去除的方法。对废水中无
3、机、有机污染物、重金属都有效，适宜处理低浓度废水(深度处理) 。 Water Pollution Control Engineering吸附n1.2 吸附类型：物理吸附，是分子间力范德华力，吸附热小，可以单层也可多层吸附，吸附无选择性，容易解吸，是可逆吸附，低温下物理吸附大，吸附量与表面积成比例。 化学吸附是形成化学键的吸附，吸附热大，具有选择性，单分子层吸附，化学键、离子交换或形成配位体。物理化学吸附常常同时发生。 Water Pollution Control Engineering吸附n吸附气体时则物理吸附热与气体液化热相当，而化学 吸附与化学反应相当。 Water Pollution
4、Control Engineering作用力吸附热是否可 逆选择 性吸附层数物理吸附范德华力小,气体液化热可逆无单、多分子层化学吸附化学键大,化学反应热不可逆有单分子层物理吸附与化学吸附的比较 返回吸附等温式吸附等温式是描述吸附量与平衡时液相中吸附质浓度的关系的数学式。吸附等温式描述的是物理吸附。 Langmuir吸附等温式 Freundlich吸附等温式 BET吸附等温式 (Henry等温式) Water Pollution Control Engineering2.吸附等温式(等温线)n Langmuir吸附等温式：Langmuir第一个对吸附现象进行系统研究，提出“单分子层吸附理论”。假
5、设固体表面各处的吸附力场均匀相同，表面吸附单分子层就饱和，且被吸附分子无相互 作用，物理吸附。吸附速率：Va kaC(1) .(1)脱附速率：Vd kd .(2)表示被吸附的分子占据固体表面的覆盖度。C为吸附质 浓度，ka、kd为吸附和脱附速率常数。Water Pollution Control Engineering吸附等温式吸附等温式n平衡时：kaC(1)kdkd+ kaC kaC ， k1=ka/kd若以q、qm分别表示吸附量和饱和吸附量，则q/qm Water Pollution Control Engineering吸附等温式n q /qm=即为Langmuir吸附等温式，在液相中C
6、实际是吸附质的浓度。Water Pollution Control Engineering吸附等温式nLangmuir吸附等温式吸附质在液相浓度C与吸附量q的关系q =qmk1C1, q =qmk1C1k1C 1n=1 n1 K吸附等温式n BET吸附等温式：可以解释实验观察到的5种物理吸附等温线，假设固体表面是均匀的，可以为多分子层吸附，每一单层符合Langmuir吸附，第二层以后的吸附是分子间的引力。 Water Pollution Control Engineering如果CsC,则：近似简化为Langmuir吸附等温式 返回吸附剂n 固体物质都有吸附能力，只有具有巨大比表面积或很细的颗
7、粒可以作为吸附剂使用。水污染控制要求吸附剂吸附能力强,吸附选择性好,平衡液相浓度低,容易再生利用,机械强度高,化学稳定性高,来源广价格低等。废水处理用的吸附剂：活性炭, 吸附树脂,腐殖酸类,粘土矿物,硅藻土,活性氧化铝等。Water Pollution Control Engineering3. 吸附剂吸附剂(1).活性炭：是以含炭物质为原料经过热脱水(120-130 ), 高温炭化(200-600 )和活化(700-900)制备的疏水性吸附剂，形 状为粉末(几十微米),颗粒(圆柱形,无定型,大小数毫米),纤维 状活性炭,粉末炭再生困难一般不重复利用,而颗粒炭造价 高,但可以再生利用. 活化过
8、程可以用药剂活化(化学)或气 体活化(物理).性质：比表面大(2000m2/g),微孔发达,2nm微孔,占活性 炭比表面积的95,过渡孔2-100nm,比表面积5%,100nm 大孔. 具有好的吸附性能及化学性质稳定,耐酸碱.Water Pollution Control Engineering吸附剂n活性炭再生：1.加热再生:原理是挥发(容易脱附,低沸点分子量小的化合物,100-200 ),热分解(分解为小分子),炭化(难脱附的有机物).n高温热再生分干燥,炭化,活化过程.需要少量的氧气以氧化有机物但不使活性炭燃烧损失.恢复95%,烧损5,方法简单,效果好,适应性广且无废液产生,但能耗大.W
9、ater Pollution Control Engineering吸附剂Water Pollution Control Engineering泥浆泵失效炭脱水罐螺旋传送器废气处理 装置再生炉水蒸汽冷却罐再生炭储罐炭末排 水再生炭高温加热再生系统活性炭 浆池吸附剂n2.药剂再生:通过化学反应使吸附质转化为可脱附易溶解的物质而解吸. 需要选择合适的化学物质,如常用有机溶剂脱附,化学再生损失小，而且可以在吸附塔内进行,物质容易回收利用,但再生效率低,再生不完全.3.氧化再生:湿式氧化,电氧化,生物氧化,O3氧化等.Water Pollution Control Engineering吸附剂(2).
10、吸附树脂:n 具有立体网状结构,结构可根据需要控制,故适应广,选择性高,再生容易.类似吸附和离子交换之间的技术,具有活性炭吸附能力强的优点,比离子交换树脂容易再生,多用来处理水中微量极性物质.如TNT废水毒性大,活性炭处理后再生困难(难脱附,热再生易爆炸),而吸附树脂可以高效处理且回收.Water Pollution Control Engineering(3).活性氧化铝,沸石,硅胶n具有多孔结构的以Al2O3,SiO2成分为主的吸附剂。n活性氧化铝:铝水合物加热处理，包括(水合)Al2O3,氢氧化铝晶体等。n沸石：铝硅酸盐晶体，含Al2O3,SiO2成分。n硅胶：硅酸聚合物，SiO2H2O
11、吸附剂Water Pollution Control Engineering吸附剂n (4).其他(腐殖酸,粘土矿物,粉煤灰等)腐殖酸:天然含腐殖酸的泥煤,褐煤等直接使用或简单处理.富含活性基团,离子交换,螯合,凝聚,物理吸附,化学吸附等作用,故适宜处理重金属废水.天然粘土矿物:种类多,来源广,价格低,使用方便,与腐殖酸一样也具有多重作用(吸附,凝聚,离子交换).Water Pollution Control Engineering返回吸附速率单位质量的吸附剂一定时间内吸附吸附质的量，多孔吸附剂吸附的过程：吸附质扩散通过水膜到达吸附剂的表面，(膜扩散)；吸附质在吸附剂的孔隙内继续扩散达到吸附点
12、，(内扩散)；吸附反应。 Water Pollution Control Engineering4. 吸附速率吸附速率nFick定律，水膜内的溶质传质速度V：V=D = D(C-Ci)/k(C-Ci) D扩散系数m2/h，k为水膜的传质系数m/h，(C-Ci)水膜内外的浓度差kg/m3，为水膜厚度m。 Water Pollution Control Engineering吸附速率n吸附速度： VS=k(C-Ci)SS为吸附 剂的比表面积，m2/kg。Water Pollution Control Engineering吸附速率影响吸附的因素：吸附剂性质，BET和孔结构： n吸附剂的表面化学性质
13、：表面酸性碱性,低温活化容易生 成表面酸性活性中心,而高温易于形成碱性活化中心。 n吸附剂孔径大，对吸附质的内扩散是有利的，但比表面 积小，孔径小，不利内扩散，而且大分子物质直径可能 大于孔径。对活性炭来说，由于比表面积由微孔决定， 所以对大分子物质需要预处理。Water Pollution Control Engineering吸附速率n吸附剂孔径大 小与吸附的关 系示意图Water Pollution Control Engineering溶质分子 水分子吸附速率吸附质(污染物)性质n溶解度，溶解度低容易被吸附；活性炭是非极性吸附剂，非极性溶质容易吸附，而活性氧化铝极性吸附剂，容易吸附极性
14、溶质。n 吸附质的分子大小，活性炭容易吸附分子量大的溶质，而沸石容易吸附分子量小，饱和与不饱和溶质液影响吸附过程。Water Pollution Control Engineering吸附速率Water Pollution Control Engineering非极性 极性饱和 不饱和大 分 子小 分 子炭素氧化 铝活性 炭硅胶分子 筛沸石n各吸附剂的适 用条件比较吸附速率n废水性质: pH和温度,pH影响吸附剂的表面化学性质,对吸附质主要影响其结构与溶解度等。温度对液相吸附影响较小,吸附放热,所以温度高对吸附不利,根据废水性质选择吸附剂。n反应条件: 接触时间.吸附过程要搅拌,水膜的厚度要薄
15、,吸附剂需要合适的pH,接触时间长,提高吸附剂的吸附容量,但设备处理能力降低,作为深度处理的预处理情况。Water Pollution Control Engineering返回吸附工艺n n(1).间歇吸附(混合接触吸附装置)吸附剂与废水在反应器内混合, 搅拌, 静置. 一般用粉末吸附剂,需要两个反应器, 适宜水量小. Water Pollution Control Engineering5. 吸附工艺吸附工艺n(2) 连续吸附1.吸附设备 A固定床：吸附剂固定在吸附塔内，水流过吸附剂层,分为升流和降流式. 降流式出水水质好,但水头损失大,需要定期反冲洗;升流式出水略差,吸附剂容易流失,提高进水流速使吸附剂稍微膨胀,可以达到相当于反冲洗的效果. Water Pollution Control Engineering吸附工艺n单床,多床串联,多床并联n多床串连降流吸附塔示意图A再生,B-C-D-E;B再生,C-D-E-A;余类推Water Pollution Control EngineeringABCDE进水出水再生吸附工艺nB移动床：废水由下而上流动,吸附剂由上而下运动(间歇或连续),饱和的吸附剂从底部卸出.可充分利用吸附剂的吸附容量
