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1、第十七章 污水的吸附法、离子交换法、萃取法和膜析法处理17-1 吸附法一、吸附原理与类型1、概念吸附是一种物质附着在另一种物质表面上的过程，它可以发生在气-液、气-固、液-固两相之间。在污水处理中，吸附则是利用多孔性固体吸附剂的表面吸附污水中一种或多种污染物，达到污水净化的过程。具有吸附能力的多孔性固相物质称为吸附剂，而污水中被吸附的物质称为吸附质。这种方法主要用于低浓度工业废水的处理。2、吸附原理吸附的主要原因在于溶质对水的疏水特性或者在于溶质对固体颗粒的高度亲合力；吸附作用的第二种原因是主要由溶质与吸附剂之间的静电引力、范德华引力或化学键力所引起。与此相对应，可把吸附分为3种基本类型。3、
2、吸附类型(1) 物理吸附物理吸附是吸附质与吸附剂之间的分子引力(范德华力)所产生的吸附。这是最常见的一种吸附现象。特征： 被吸附物分子稍能在界面上作自由移动； 吸附时表面能降低，所以是放热反应； 由于物理吸附是分子间力，而分子引力普遍存在，所以吸附基本上是无选择性的； 低温就能进行吸附； 可以形成单分子层或多分子层吸附； 吸附速率快，易于达到平衡； 由于吸附力弱，物理吸附也容易解吸(或脱附)，反应高度可逆。(2) 化学吸附化学吸附是吸附质与吸附剂之间发生化学反应，形成牢固的化学键和表面配合物。特征： 吸附质分子不能在表面自由移动； 吸附时放热量大，与化学反应的反应热相近； 是选择性吸附； 一般
3、需在较高的温度下进行吸附； 只能是单分子层吸附或不满一层； 吸附较稳定，不易解吸(不可逆)；(3) 离子交换吸附离子交换吸附即溶质的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表面的带电点上，同时吸附剂也放出一个等当量离子。离子的电荷是交换吸附的决定因素：离子所带电荷越多，吸附越强；电荷相同的离子，其水化半径越小，越易被吸附。在水处理中，吸附过程往往是上述几种吸附作用的综合结果。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。二、吸附平衡和吸附容量1、吸附平衡和平衡浓度吸附过程是一个可逆过程，当污水、吸附剂两相经充分接触后，最终将达到吸附与脱附的动态平衡，即吸附平衡。当达到动态平衡时，吸附速度与
4、脱附速度相等，吸附质在吸附剂及溶液中的浓度都将不再改变。此时，吸附质在液相中的浓度称为平衡浓度。2、吸附容量指单位质量吸附剂所吸附的吸附质的质量。式中：q吸附容量，g/g； V废水体积，L； c0原水中吸附质浓度，g/L； c吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度，g/L；W吸附剂投加量，g。吸附剂对吸附质的吸收效果，一般用吸附容量和吸附速度来衡量。3、吸附速度指单位质量的吸附剂在单位时间内所吸附的物质的量。吸附速度决定了污水和吸附剂的接触时间，取决于吸附剂对吸附质的吸附过程，通常由试验确定。4、吸附等温线是表征吸附容量与相应的平衡浓度之间的关系曲线。5、吸附等温式描述吸附等温线的数学表达式。常见的有
5、朗格缪尔(Langmuir)吸附等温式、弗兰德里希(Freundlich)（在低浓度时较适用）吸附等温式和BET等温式。三个吸附等温式仅适用于单组分吸附体系。(1) 朗格缪尔吸附等温式假设：吸附是单分子层吸附，其吸附量达到最大值；吸附分子之间没有作用力；一定条件下，吸附与脱附可达到动态平衡。 (17-1)式中：Nm单分子层覆盖的饱和值，与温度无关；q平衡吸附量，mg/g；k吸附系数，代表了固体表面吸附能力的强弱，又称吸附平衡常数；c吸附质浓度，g/L。为了方便起见，可将(4-1)式变形为一个线性形式： (17-2)根据试验情况，可按(17-2)式以1/q对1/c作图，得到一条直线见图17-1。
6、1/q1/C图4-1 Langmuir吸附等温式常数图解法(2) Freundlich吸附等温式为指数型的经验公式： (17-3)式中：KFreundlich吸附系数； n常数，通常大于1； 其它符号同前。式(17-3)虽然为经验式，但与实验数据相当吻合，通常将该式绘制在双对数坐标纸上，以便确定K与n值。式(17-3)两边取对数，得： (17-4)由实验数据按式(17-4)作图得到一直线，如图17-2，其斜率等于1/n，截距等于lgK。一般认为，1/n值介于0.10.5，则易于吸附，1/n 2时难以吸附。1/nlgqelgcelgK图17-2 Freundlich吸附等温式常数图解法Freun
7、dlich吸附等温式在一般的浓度范围内与Langmuir吸附等温式比较接近，但在高浓度时不像Langmuir吸附等温式那样趋向于一个定值；在低浓度时也不会还原成一条直线。当污水中混合着吸附难易不同的物质时，则等温线不成直线。表17-1列举了活性炭吸附污水中酚、醋酸等时的K和n值，可供参考。表17-1 活性炭在某些物质水溶液中的吸附吸附质温度/Kn吸附质温度/Kn酚2017.180.23醋酸200.970.4702.190.47500.080.66甲酚202.000.48700.040.75醋酸戊酯204.800.49【例】用活性炭吸附水中色素的试验方程式为：。今有100L溶液，色素浓度为0.0
8、5g/L，欲将色素除去90，应加多少活性炭？解：平衡时的c0.05(190%)=0.005g/L三、影响吸附的因素1、吸附剂的性质(1) 孔的大小吸附剂的内孔大小和分布对吸附性能影响很大。孔径太大，表面积小，吸附能力差；孔径太小，则不利于吸附质扩散，并对直径较大的分子起屏蔽作用。(2) 比表面积由于吸附现象是发生在固体表面上，所以吸附剂的比表面积越大，吸附能力越强，吸附容量也越大，因此，比表面积是吸附作用的基础。但要注意与处理水的性质相适应，对分子量大的吸附质，微孔提供的表面积不起很大作用，所以单纯强调比表面积会有片面性，不能不分处理对象任意用炭。(3) 吸附剂的表面化学特性一般极性分子型吸附
9、剂易吸附极性分子型吸附质，非极性分子型吸附剂易吸附非极性的吸附质。活性炭本身是非极性的，在制造过程中，处于微晶体边缘的碳原子，由于共价键不饱和而易与其他元素如氧、氢等结合形成含各种含氧官能团，如羟基、羧基、羰基等，从而具有微弱极性，使其他极性溶质竞争活性炭表面的活性位置，导致非极性溶质吸附量降低，而对水中某些金属离子产生离子交换吸附或络合反应，提高处理效果。2、吸附质的性质吸附质在水中溶解度、分子极性、分子量大小等都对吸附都有影响。(1) 溶解度一般溶质溶解度越低，越容易被吸附，而不易被解吸。通常有机物在水中溶解度随着链长的增加而减小，而活性炭在污水中对有机物的吸附容量随着同系物分子量的增大而
10、增加。(2) 表面自由能能够使液体表面自由能(或叫表面张力)降低越多的吸附质，越容易被吸附。例如活性炭在水溶液中吸附脂肪酸，由于含碳越多的脂肪酸分子可使炭液界面自由能降低得越多，所以吸附量也越大。(3) 极性吸附质极性强弱对吸附影响很大。极性的吸附质易被极性的吸附剂吸附，非极性的吸附质易被非极性的吸附剂吸附。硅胶和活性氧化铝为极性吸附剂，可以从污水中吸附极性分子。3、吸附操作条件(1) 污水(或废水)的pH值溶液的pH值影响溶质处于分子或离子络合状态的程度；也影响到活性炭表面电荷特性(电荷正、负性及电荷密度等)。研究表明，在等电点处可发生最大的吸附，说明中性物质的吸附为最大。(2) 温度对于物
11、理吸附，吸附时放热，所以温度提高，吸附量减少，反之，则吸附量增大。温度对气相吸附的影响比液相吸附的影响大。(3) 接触时间进行吸附操作时，应保证吸附质与吸附剂有一定的接触时间，使吸附接近平衡，以充分利用吸附剂的吸附能力。最佳接触时间，宜通过活性炭吸附柱的动态试验来确定。(4) 共存物质一般共存吸附多种物质时，吸附剂对某种吸附质的吸附能力比只含该种吸附质时的吸附能力差。(5) 生物协同作用水处理中，特别是在废水处理中，使用活性炭一段时间后，在炭表面上会繁殖微生物，参与对有机物的去除，使活性炭的去除负荷及使用周期甚至会成倍增长。同时也带来了不利的影响，例如在炭柱装置中，会增加水头损失，需要经常反冲
12、洗，容易造成厌气(缺氧)状态，产生硫化氢臭气等。四、吸附剂广义而言，一切固体表面都有吸附作用，但实际上，只有多孔物质或细微颗粒由于具有较大的比表面积，才具有明显的吸附能力。工业上应用的吸附剂必须满足下列要求：(1) 吸附能力强；(2) 吸附选择性好；(3) 吸附平衡浓度低；(4) 容易再生与再利用；(5) 化学稳定性好；(6) 机械强度好；(7) 来源广、价格低廉。一般工业吸附剂很难同时满足以上要求，应根据不同场合选用合适的吸附剂。污水处理中常见的吸附剂有活性炭、磺化煤、活化煤、沸石、硅藻土、焦炭、木炭、活性白土、腐殖酸及大孔径吸附树脂等。1、活性炭活性炭是目前应用最为广泛的吸附剂。活性炭是一
13、种非极性吸附剂，是以含炭为主的物质作原料，经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂。外观为暗黑色，有粒状和粉状2种，目前工业上大量采用粒状活性炭。常用活性炭比表面积在500700m2/g，微孔有效半径11000nm，其中小孔半径在2nm以下，过渡孔半径在2100nm，大孔半径在10010000nm。小孔容积一般在0.150.90mL/g，其比表面积应占此面积的95以上，活性炭表面吸附量主要受小孔支配来完成。活性炭主要成分为炭，除此以外还含有少量O、H、S等元素，以及水分、灰分。它具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。表17-2 污水处理适用的粒状
14、活性炭性能参考序号项目数值序号项目数值1比表面积/( m2/g)95015006碘值(最小)/(mg/g)9002密度堆积密度颗粒密度真密度0.441.31.42.17磨损值(最小)/%703粒径有效粒径/mm平均粒径/mm0.80.91.51.78灰分(最大)/%84均匀系数1.99包装后含水率(最大)/%25空隙容积/(cm3/g)0.8510筛径(美国标准)大于8号(最大)/%小于30号(最小)/%85*根据国家标准规定，活性炭主要通过亚甲基蓝指标值表现活性炭中孔的发达程度，碘值表现活性炭微孔的发达程度，pH值表现活性炭的酸碱度，粒度或目数表现活性炭的颗粒大小，强度表现活性炭的坚硬程度，水份表现活性炭中的水份含量程度，灰份表现活性炭中杂质的含量程度，以及其他如铁盐、氯化物等特殊的指标值表现在活性炭中该种化学物质的含量程度，醋酸吸附、醋酸锌吸附的指标值主要用在维尼纶炭方面，载银量、载钯量等指标值主要用在催化剂载体炭方面。2、腐殖酸类吸附剂作为吸附剂的腐殖酸类物质主要有：天然的富含腐殖酸的风化煤、泥煤、褐煤等，它们可以直接使用或经简单处理后
