水污染治理技術(shù)-吸附

吸附一、吸附的概念

吸附法是利用多孔性固體物質(zhì)，使廢水中一種或多種物質(zhì)被吸附在固體表面上，從而予以回收或去除的方法。具有吸附能力的多孔性固體物質(zhì)稱為吸附劑，廢水中被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。

吸附法的作用：脫色，脫臭，脫除水中難生物降解的或用一般氧化法難以氧化的溶解性有機污染物、脫除重金屬和放射性元素等。（一）吸附原理與應(yīng)用

根據(jù)固體表面吸附力的不同，吸附可分為三種類型：物理吸附、化學(xué)吸附和交換吸附。1）物理吸附：分子間的作用力所引起的。

·吸附熱較小，可在低溫下進行。

·過程是可逆的，易解吸

·相對沒有選擇性。分子量越大，吸附量越大。

·可形成單分子吸附層或多分子吸附層。2）化學(xué)吸附：由化學(xué)鍵力引起的――產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。如石灰吸附CO2→CaCO3·吸附熱大，一般在較高溫下進行。

·具有選擇性，單分子層吸附

·化學(xué)鍵力大時，吸附不可逆。3）交換吸附：靜電引力吸附質(zhì)的離子→吸附劑表面的帶電點上，同時吸附劑也放出一個等當量離子。

·離子電荷越多，吸附越強。

·離子水化半徑越小，越易被吸附。影響交換吸附勢的重要因素是離子電荷數(shù)和水合半徑的大小。

實際過程中物理和化學(xué)吸附是主要的，往往相伴發(fā)生，且是綜合作用，比較如下：

吸附性能物理吸附化學(xué)吸附作用力分子引力（范德華力）剩余化學(xué)鍵力選擇性沒有選擇性有選擇性吸附層單分子或多分子吸附層只能形成單分子吸附層吸附熱較小，?41.9kj/mol較大，相當于化學(xué)反應(yīng)熱，83.7-418.7kj/mol吸附速度快，幾乎不要活化能較慢，需要活化能溫度放熱過程，低溫有利于吸附溫度升高，吸附速度增加可逆性可逆，較易解析化學(xué)鍵大時，吸附不可逆（二）吸附平衡和吸附速度1．吸附平衡如果吸附過程是可逆的，當吸附速度和解吸速度相等時，達到動態(tài)的吸附平衡。吸附劑吸附能力的大小以吸附量q（g/g）表示

吸附量是指單位重量的吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的重量。吸附量可用下式計算：

q=V（Co-C）/W2.吸附速度

定義：單位重量的吸附劑在單位時間內(nèi)所吸附的物質(zhì)的量。

吸附速度決定了廢水和吸附劑的接觸時間。吸附速度快?接觸時間短?吸附設(shè)備的容積小。

影響吸附速度的因素有：

1.吸附質(zhì)在吸附劑表面液相界膜內(nèi)的遷移速度（膜擴散）

2.吸附質(zhì)在吸附劑顆?？障秲?nèi)的擴散速度（內(nèi)部擴散）

3.吸附質(zhì)在吸附劑內(nèi)表面吸附位置上的吸附反應(yīng)速度。

吸附速度主要受液膜擴散速度和內(nèi)部擴散速度控制。在開始階段往往由液膜擴散速度起作用，而在終了階段則由顆粒的內(nèi)部擴散起決定作用。3．吸附等溫式

吸附分等溫吸附和等壓吸附。在溫度一定的條件下，吸附量隨吸附質(zhì)平衡濃度的提高而增加。描述吸附容量與平衡濃度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式稱為吸附等溫式。

常用的吸附等溫式是Freundlich經(jīng)驗公式：

q=KC1/n

㏒q=㏒K+1/n㏒C

根據(jù)平衡吸附試驗數(shù)據(jù)，以㏒C和㏒q作為橫坐標和縱坐標，便得到一條直線，稱為Freundlich等溫線，這條直線的截距為㏒K，斜率為1/n。由此可求出常數(shù)n和K值。

1/n越小，吸附性能越好。一般認為1/n=0.1–0.5時容易吸附;1/n大于2時難于吸附。3.吸附等溫式郎格謬爾（Langmuir）吸附等溫式基本假設(shè)為吸附劑表面均勻，各處吸附能力相同；吸附是單分子層吸附，其吸附量達到最大值；吸附分子之間沒有作用力；一定條件下，吸附與脫附可達到動態(tài)平衡。根據(jù)動力學(xué)方法可以推導(dǎo)出郎格謬爾吸附等溫式為

根據(jù)實驗情況，按上式以[1/q]對[1/c]作圖，能得到一條直線，便可求出a、b的值。BET吸附等溫式表示吸附劑上有多層溶質(zhì)分子被吸附的吸附模式，各層的吸附符合朗格謬爾單分子吸附公式。3.吸附等溫式從上式可看出，與呈直線關(guān)系，利用這個關(guān)系可求q0、B值。（三）吸附的應(yīng)用主要用來去除污水中的微量污染物，達到深度凈化的目的。從高濃度的廢水中吸附某些物質(zhì)達到資源回收和治理的目的，如廢水中少量重金屬離子的去除、有害的生物難降解有機物的去除、脫色除臭等。還可利用爐渣、粉煤灰等物質(zhì)作吸附劑，作為某些工業(yè)廢水的預(yù)處理，是以廢治廢的途徑。如粉煤灰吸附作用對采油廢水中石油類和CODCr的去除率分別為80%和20%。在處理流程上，吸附法可與其他物理化學(xué)法聯(lián)合，組成所謂物化流程。如先用混凝沉淀過濾等去除懸浮物和膠體，然后用吸附法去除溶解性有機物。吸附法也可與生化法聯(lián)合，如向曝氣池投加粉狀活性炭，利用粒狀吸附劑作為微生物的生長載體或作為生物流化床的介質(zhì)；或在生物處理之后進行吸附深度處理等。（四）吸附的影響因素

影響吸附的因素主要有吸附劑的性質(zhì)、吸附質(zhì)的性質(zhì)和吸附過程的運行參數(shù)等。

1）內(nèi)因因素有：

A、吸附劑的性質(zhì)：種類；比表面積；表面能；表面化學(xué)特性；孔隙尺寸等。

B、吸附質(zhì)的性質(zhì)：溶解度；極性；分子量；溶質(zhì)濃度；空間結(jié)構(gòu)等。2）外因因素有；

A、環(huán)境條件：pH值；溫度；共存物質(zhì)；壓力；協(xié)同作用。

B、運行條件：運行方法；接觸時間；水力條件等。1．吸附劑的種類

工業(yè)吸附劑必須滿足下列要求：①吸附能力強；②吸附選擇性好；③吸附平衡濃度低；④容易再生和再利用；⑤機械強度好；⑥化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；⑦來源廣；⑧價廉。一般工業(yè)吸附劑難于同時滿足這八個方面的要求，因此，應(yīng)根據(jù)不同的場合選用。目前在廢水處理中應(yīng)用的吸附劑有:活性炭、活化煤、白土、硅藻土、活性氧化鋁，焦炭、樹脂吸附劑、爐渣、木屑、煤灰、腐殖酸等。1）活性炭

應(yīng)用較為廣泛的是活性炭、樹脂吸附劑和腐殖酸類吸附劑。

A)活性炭的形狀

活性炭有粉末狀和顆粒狀。常使用顆粒狀。纖維活性炭是一種新型高效的吸附材料，吸附性能遠遠超過目前的普通活性炭。

B)活性炭的一般性質(zhì)

①具有良好的吸附性能和化學(xué)穩(wěn)定性；

②可耐酸堿；

③能經(jīng)受水浸、高溫、高壓作用；

④不易破碎，氣流阻力??；

⑤粉狀活性炭制造容易、成本低，但不易再生；粒狀活性炭成本較高，但操作管理和再生容易。C)細孔構(gòu)造和細孔分布

活性炭有許多形狀和大小不同的細孔?；钚蕴康奈⒖妆砻娣e占總面積的95%以上，微孔對吸附量的影響最大。

D)活性炭水處理的特點對難去除的有機污染物，有較好的去除效果。對水質(zhì)、水溫及水量的變化有較強的適應(yīng)能力。對重金屬化合物也有較強的吸附能力。飽和炭再生后重復(fù)使用，不產(chǎn)生二次污染。可回收有用物質(zhì)。

2)樹脂吸附劑

樹脂吸附劑也叫做吸附樹脂,是一種新型有機吸附劑。具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，呈多孔海綿狀。加熱不熔化，可在150℃下使用，不溶于一般溶劑及酸、堿，比表面積可達800m2/g。常見產(chǎn)品有美國AmberliteXAD系列，日本HP系列。國內(nèi)一些單位也研制了性能優(yōu)良的大孔吸附樹脂。樹脂吸附劑的結(jié)構(gòu)容易人為控制，因而它具有適應(yīng)性大、應(yīng)用范圍廣、吸附選擇性特殊、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，并且再生簡單，多數(shù)為溶劑再生。樹脂吸附劑最適宜于吸附處理廢水中微溶于水．極易溶于甲醇、丙酮等有機溶劑，分子量略大和是極性的有機物。如脫酚、除油、脫色等。樹脂的吸附能力一般隨吸附質(zhì)親油性的增強而增大。3)腐植酸系吸附劑

腐植酸類物質(zhì)可用于處理工業(yè)廢水，尤其是重金屬廢水及放射性廢水，除去其中的離子。一般認為腐植酸是一組芳香結(jié)構(gòu)的、性質(zhì)相似的酸性物質(zhì)的復(fù)合混合物，腐植酸對陽離子的吸附，既有化學(xué)吸附，又有物理吸附。用作吸附劑的腐植酸類物質(zhì)有兩大類，一類是天然的富含腐植酸的風化煤、泥煤、褐煤等，直接作吸附劑用或經(jīng)簡單處理后作吸附劑用。另一類是把富含腐植酸的物質(zhì)用適當?shù)恼辰Y(jié)劑作成腐植酸系樹脂，造粒成型，以使用于管式或塔式吸附裝置。腐植酸類物質(zhì)吸附重金屬離子后，容易脫附再生，常用的再生劑H2SO4、HCl、NaCl、CaCl2等。

2．吸附劑的性質(zhì)吸附劑的顆粒越小，比表面積越大，吸附量就越大。一般極性分子型的吸附劑易吸附極性分子型的吸附質(zhì)，反之亦然。3．吸附質(zhì)的性質(zhì)溶解度越小的吸附質(zhì)越容易被吸附；吸附質(zhì)的分子體積越大，吸附效率也就越大；吸附質(zhì)的濃度增高，吸附量增大。

4．吸附過程的運行參數(shù)

主要包括pH值、共存物質(zhì)、溫度、接觸時間等（1）pH值

活性炭一般在酸性溶液中比在堿性溶液中有較高的吸附率。通過實驗確定最佳PH值范圍。（2）共存物質(zhì)

一般共存多種吸附質(zhì)時，吸附劑對某種吸附質(zhì)的吸附能力比只含該種吸附質(zhì)時的吸附能力差。（3）溫度

物理吸附是放熱過程，所以低溫有利于吸附。（4）接觸時間二活性炭吸附工藝與設(shè)備（一）吸附操作方式吸附操作分為靜態(tài)吸附和動態(tài)吸附兩種。

1.靜態(tài)吸附

指在水不流動的情況下進行的吸附操作。

操作工藝過程：把一定數(shù)量的吸附劑投入待處理的水中，不斷進行攪拌，經(jīng)過一定時間達到吸附平衡時，以靜置沉淀或過濾的方法實現(xiàn)固液分離。

靜態(tài)吸附常用于小水量處理或試驗研究。常用的處理設(shè)備有水池和反應(yīng)槽等2．動態(tài)吸附

指在水流動的情況下進行的吸附操作。操作工藝過程：污水不斷地流過裝填有吸附劑的吸附床，污水中的污染物和吸附劑接觸并被吸附。

常用工藝有固定床、移動床和流化床。（1）固定床

固定床是指在操作過程中吸附劑固定填放在吸附設(shè)備中。根據(jù)水流方向不同，固定床又分為升流式和降流式兩種形式。固定床又可分為單床和多床，多床又有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種。降流式固定床吸附塔（2）移動床

移動床是指在操作過程中定期將接近飽和的吸附劑從吸附設(shè)備中排出，并同時加入等量的吸附劑，也稱為脈沖床。移動床一次卸出的炭量一般為總填充量的5～20%。在卸料的同時投加等量的再生炭或新炭。移動床進水的懸浮物濃度不大于30mg/L。較大規(guī)模的廢水處理多采用這種形式。

（3）流化床

流化床是指在操作過程中吸附劑懸浮于由下而上的水流中，處于膨脹狀態(tài)或流化狀態(tài)。一般連續(xù)卸炭和投炭，要求上下不混層，保持炭層成層狀向下移動，所以運行操作要求嚴格。適于處理含懸浮物較多的廢水，不需要進行反沖。（二）活性炭的再生

活性炭的再生方法有加熱再生法、藥劑再生法、氧化再生法。1．加熱再生法：分低溫和高溫兩種方法。（1）低溫法適于吸附濃度較高的簡單低分子量的碳氫化合物和芳香族有機物的活性炭的再生。由于沸點較低，一般加熱到200℃即可脫附。一般采用水蒸氣再生。2）高溫法適用于水處理粒狀炭的再生，高溫加熱再生過程一般分5步進行：脫水、干燥、炭化、活化、冷卻處理。

2．藥劑再生法

藥劑再生法分無機藥劑再生法和有機溶劑再生法兩類。（1）無機藥劑再生法：采用堿（NaOH）或無機酸等無機藥劑。（2）有機溶劑再生法：用苯、丙酮及甲醇等有機溶劑，萃取吸附在活性炭上的有機物。藥劑再生設(shè)備和操作管理簡單，可在吸附塔內(nèi)進行。但藥劑再生，一般隨再生次數(shù)的增加，吸附性能明顯降低，需要補充新炭，廢棄一部分飽和炭。（1）濕式氧化法飽和炭用高壓泵經(jīng)換熱器和水蒸氣加熱后送入氧化反應(yīng)塔。在塔內(nèi)被活性炭吸附的有機物與空氣中的氧反應(yīng)，進行氧化分解，使活性炭得到再生。再生后的炭經(jīng)熱交換器冷卻后，送入再生炭儲槽。在反應(yīng)器底積集的無機物（灰分）定期排出。（2）電解氧化法用飽和炭作陽極，對水進行電解，在活性炭表面產(chǎn)生的氧氣把吸附質(zhì)氧化分解。（3）臭氧氧化法利用強氧化劑臭氧，將吸附在活性炭上的有機物加以分解3．化學(xué)氧化再生法

利用微生物的作用，將被活性炭吸附的有機物氧化分解。在再生周期較長、處理水量不大的情況下，可以將炭床內(nèi)的活性炭一次性卸出，然后放置在固定的容器內(nèi)進行生物再生，待一段時間后活性炭內(nèi)吸附的有機物基本上被氧化分解，炭的吸附性能基本恢復(fù)時即可重新使用。另外，也可以在活性炭吸附處理過程中，同時向炭