吸附.docx

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吸附

第五章吸附

5.1吸附的类型

5.1.1吸附

在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓集的现象。

固—液界面上的吸附：

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。

5.1.2吸附的分类

1.物理吸附：

靠分子间力产生的吸附，可吸附多种吸附质，可形成多分子吸附层。

吸附━解吸是可逆过程，在低温下就能吸附。

2.化学吸附：

由化学键力引起的吸附，吸附能形成单分子吸附层，并具有选择性，同时是不可逆的，在高温下才能吸附。

上面二种吸附往往是相伴发生，而不能严格分开，是几种吸附综合作用的结果，可能存在以某种吸附为主。

5.1.3吸附剂

主要有活性炭、磺化煤、沸石、硅藻土、焦炭、木炭等。

1、活性炭的制造

木材、煤、果壳隔绝空气800~900℃高温炭化,炭渣,活化,活性炭

活化剂：

ZnCl2     蒸汽高温活化

粉末状活性炭;粒状活性炭（园柱状、球状），粒径2~4mm

棒状活性炭：

Φ50mm，L=255mm

2.活性炭的细孔构造和分布

1.比表面积

每g活性炭所具有的表面积。

活性炭的比表面积为：

500~1700m2/g，99.9%的表面积在多孔结构颗粒的内部。

2.细孔构造

·小孔：

<2nm，0.15~0.90mL/g，占比表面积的95%以上，起吸附作用，吸附量以小孔吸附为主。

·过渡孔：

2~100nm，0.02~0.10mL/g，占比表面积<5%，吸附量不大，起吸附作用和通道作用。

·大孔：

100~1000nm，0.2~0.5mL/g，占比表面积很小，吸附量小，提供通道。

5.2吸附等温线与吸附速度

5.2.1吸附平衡

1.定义

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C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C叫平衡浓度。

2.吸附量q（g/g）

衡量吸附剂吸附能力的大小，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）。

q=V（C0-C）/W

式中：

V—废水容积；W—活性炭投量，g

C0—废水吸附质浓度（g/L）

C—吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度（g/L）—平衡浓度

q=f（C、T），当T不变时，即T恒定，则q=f（C），叫吸附等温线。

3.吸附等温线

在一定T下，q随平衡浓度C变化的曲线（q=f（C））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

朗谬尔公式：

q=abC/（1+aC）

取倒数式：

1/q=（1/ab）（1/C）+1/b

2.费兰德利希经验公式：

q=KC1/n

适于中等浓度吸附

式中：

K、n——常数；

C——吸附质平衡浓度（g/L）

q——吸附量

取对数：

lgq=lgK+1/nlgC

1/n越小，吸附性能越好，1/n=0.1~0.5，容易吸附；

1/n>2，则难吸附。

1/n较大则采用连续吸附，反之采用间歇吸附。

吸附量q是选择吸附剂和吸附设备的重要参数，q决定吸附剂再生周期的长短，q越大，再生周期越长，再生剂用量及其费用越小。

q通过吸附试验来确定。

5.2.2吸附速度

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。

吸附过程一般分为3个阶段：

1.液膜扩散（颗粒外部扩散）阶段

2.颗粒内部扩散阶段

3.吸附反应阶段：

吸附质被吸附在细孔内表面上。

吸附反应速度非常快，V主要取决于第I、II阶段速度，而颗粒外部扩散速度（液膜扩散）U=f（c、d、搅动）

溶液浓度C↑，则U↑

颗粒直径d↓，则U↑

加强搅动，则U↑

而颗粒内部扩散速度V=f（细孔大小与构造，吸附质的d）

吸附剂颗粒直径d↓，V↑。

d的大小对内、外部扩散都有很大影响，d↓,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。

5.2.3吸附的影响因素

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）溶解度：

越低越容易吸附，具有较大的影响。

（2）使液体表面自由能W降低得越多的吸附质则越容易被吸附。

（3）极性：

极性吸附剂易吸附极性的吸附质。

非极性吸附剂易吸附非极性的吸附质。

（4）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。

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更好。

4.共存物质：

对于物理吸附，共存多种物质时的吸附比单一物质时的吸附要差。

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。

5.3吸附操作方式

5.3.1静态吸附

使废水与吸附剂搅拌混合，而废水没有自上而下流过吸附剂的流动，这种吸附操作叫静态吸附。

5.3.2动态吸附

废水通过吸附剂自上向下流动而进行吸附。

1.吸附设备

（1）固定床：

吸附剂在床中是固定的，废水自上而下流过吸附剂。

单床式、多床串联式、多床并联式。

按水流方向又可分：

升流式与降流式。

（2）移动床：

接近饱和的吸附剂从塔底间歇排出，每次卸出总填充量的（5~20）%，同时从塔顶投加等量再生炭或新炭。

（3）流化床：

吸附剂在塔内处于膨胀状态。

2.穿透曲线

（1）吸附带：

指正在发生吸附作用的那段填充层，在吸附带下部的填充层几乎没有发生吸附作用，而在吸附带上部的填充层已达到饱和状态，不再起吸附作用。

（2）穿透曲线：

以吸附时间或吸附柱出水总体积为横坐标，以出水吸附质浓度为纵坐标所绘制出的曲线叫穿透曲线。

（3）穿透点：

当出水吸附质浓度Ca为（0.05~0.10）Co时所对应的出水总体积或吸附时间的穿透曲线上的那一点叫穿透点。

（4）吸附终点：

出水浓度Cb为（0.90~0.95）Co时所对应的出水总体积的穿透曲线上的那一点叫吸附终点（耗竭点）。

（5）吸附带长度δ：

从ta到tb的△t时间内，吸附带所移动的距离叫吸附带长度δ

（6）吸附带的移动速度V吸附带=δ/△t（2~10m/h）

（7）无明显吸附带时，多柱串联试验绘制穿透曲线：

将4~6根柱串联起来，见图10-1。

填充层总高度为3~9m，在不同高度处设取样口，首先从第一个柱进水，依次通过第2、3、4柱。

当第1柱出水C1=（0.9~0.95）Co时，停止向第1柱进水，将1柱从系统中脱离出来进行再生，将备用柱5接在系统柱4之后，此时原水通入第2柱，待第二柱出水浓度C2=（0.9~0.95）Co时，停止向第2柱进水，将第2柱从系统中脱离开进行再生，并将再生好的柱1接于柱5之后，此时原水通入第3柱。

以此类推进行连续吸附操作。

各柱的吸附量相等时的运行状态（面积A=面积B）视为达到了稳定运行状态。

面积A为图10-1中第1条曲线与第2条曲线所包含的面积，面积B为第2条曲线与第3条曲线所包含的面积。

3.吸附容量的利用。

当吸附柱出水浓度达到穿透时，但此时吸附柱内的吸附剂并未完全饱和，仍能吸附相当数量的吸附质，直至出水浓度等于Cb（吸附终点）为止。

这部分吸附容量应该充分利用。

也即是充分利用吸附带的吸附容量。

（1）采用多床串联操作

（2）采用升流式移动床操作

从底部排出的吸附剂都是接近饱和的，从而充分利用了吸附剂的吸附容量。

5.3.3吸附剂的再生

用某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的细孔中除去，以达到能重复使用的目的。

1.加热再生法：

由脱水、干燥、炭化，活化、冷却等5步组成

2.药剂再生法：

无机酸或NaOH，有机溶剂（苯、丙酮等）

3.化学氧化法：

电解氧化法，O3氧化法，湿式氧化法。

4.生物法：

利用微生物的作用，将被活性炭吸附的有机物加以氧化分解。

5.4吸附塔设计

1.博哈特——亚当斯方程式

式中：

t——工作时间，h；V——线速度，即空塔速度，m/h；

h——炭层高度，m；Co——进水吸附质浓度，kg/m3

Ce——出水吸附质允许浓度，kg/m3

K——速率系数，m3/（kg·h）；No——吸附容量，即达到饱和时吸附剂的吸附量（kg/m3）。

KN0/V>>1，上式等号右边括号内的1可忽略不计，则工作时间t：

临界高度ho：

当t=0时，保证出水吸附质浓度C不超过Ca（穿透浓度）时的吸附剂层的理论高度

ho即吸附带高度，ho↓吸附反应越快。

2.模型试验——求临界高度ho

；；；

线速度（m/h）；以不同的V进行上述试验，将不同V时的No、K、ho作图，可分别得出K—V、No—V、ho—V三条曲线。

吸附塔设计

已知废水设计流量Q（m3/h），原水吸附质浓度Co，出水吸附质允许浓度Ce。

（1）吸附工作时间t——吸附柱出水达到穿透点的时间，线速度

V=4Q/πD2（m/h）

由V查图得出K、No、ho

（2）活性炭每年更换次数n（吸附剂再生次数）

n=365*24/t（次/a）

（3）活性炭年消耗量W

W=nπD2h/4（m3/a）

（4）吸附质年去除量G（kg/a）：

G=nQt（C0-Ce）/1000（kg/a），Co、Ce均以mg/L为单位

（5）吸附效率E

E=G/G0

G0=N0πD2hn/4

E=（h-h0）/h

式中：

No——达到饱和时吸附剂的吸附量，（kg/m3）

h——炭层高度；ho——临界高度

5.4.2通水倍数法

按穿透时每kg吸附剂所通过的废水的体积（m3）计算。

5.4.3吸附法在废水处理中的应用

1.活性炭对有机物的吸附

特别适合于难降解的有机物和用一般方法难以去除的溶解性有机物——用吸附实验确定去除率。

活性炭吸附的优点：

（1）处理程度高，用于城市污水的深度处理，ηBOD5=99%；出水TOC=1~3mg/L。

（2）应用范围广，对绝大多数有机物都有效

（3）适应性强，对水量和有机物负荷的变动具有较强的适应性。

（4）粒状炭可再生重复使用。

（5）可回收有用物质。

（6）设备紧凑、管理方便。

（7）不仅具有吸附作用，而且还有生物降解作用。

2.对无机物的吸附

活性炭对金属具有很强的吸附能力。

3.活性炭的应用

臭和味的去除,给水中用于去除气味时一般投加粉状活性炭,投加量在2-20mg/L

有机物去除

消毒副产物去除

4.废水吸附法处理实例。

（1）染料化工废水处理。

（2）铁路货车洗刷废水处理。

（3）火药（TNT）化工废水处理。

思考题

1、活性炭等温吸附试验的结果可以说明哪些问题？

2、活性炭柱的接触时间和泄漏时间指什么，两者有什么关系？

3、吸附区高度对活性炭柱有何影响？

如何从泄漏曲线估计该区的高度？

4、什么叫生物活性炭法，有什么特点？

5、什么物质易为活性炭吸附？

什么物质难于被吸附？

习题

1、在做静态吸附实验时，当吸附剂与吸附质达到吸附平衡时（此时吸附剂未饱和），再往废水中投加吸附质，请问吸附平衡是否被打破？

吸附剂吸附是否有变化？

2、何谓吸附等温线？

常见的吸附等温线有哪几种类型？

吸附等温式有哪几种形式及应用场合如何？

3、何谓吸附带与穿透曲线？

吸附带的吸附容量如何利用？

4、如何绘制动态吸附的穿透曲线？

它能为设计提供什么资料？

5、活性炭吸附试验结果如下：

（1）试求浓度为3mg/L时的值

（2）求弗罗德利希（Freundlich）吸附公式的K和n值。