水質(zhì)工程學(xué)-第8章-吸附VIP

第八章

吸

附

吸附性能與吸附過(guò)程吸附等溫線(xiàn)吸附速度吸附的影響因素吸附操作方式一、吸附性能與吸附過(guò)程吸附在相界面上，物質(zhì)的濃度自動(dòng)發(fā)生累積或濃集的現(xiàn)象。吸附劑具有吸附能力的多孔性固體物質(zhì)。主要有活性炭、磺化煤、沸石、硅藻土、焦炭、木炭等。吸附質(zhì)水中被吸附的物質(zhì)。固—液界面上的吸附

上面二種吸附往往是相伴發(fā)生，而不能?chē)?yán)格分開(kāi)，是幾種吸附綜合作用的結(jié)果，可能存在以某種吸附為主。物理吸附靠分子間力產(chǎn)生的吸附，可吸附多種吸附質(zhì)，可形成多分子吸附層。吸附—解吸是可逆過(guò)程，在低溫下就能吸附。化學(xué)吸附由化學(xué)鍵力引起的吸附，吸能形成單分子吸附層，并具有選擇性，同時(shí)是不可逆的，在高溫下才能吸附。分類(lèi)范德華吸附

活性炭吸附劑粉末狀活性炭(PAC)：10~50μm粒狀活性炭(GAC)：粒徑2~4mm棒狀活性炭：Φ50mm，L=255mm活性炭的制造每g活性炭所具有的表面積?；钚蕴康谋缺砻娣e為：500~1700m2/g，99.9%的表面積，在多孔結(jié)構(gòu)顆粒的內(nèi)部。細(xì)孔構(gòu)造和分布活性炭的比表面積小孔過(guò)渡孔大孔<2nm，0.15~0.90mL/g，占比表面積的95%以上，起吸附作用，吸附量以小孔吸附為主。2~100nm，0.02~0.10mL/g，占比表面積<5%，吸附量不大，起吸附作用和通道作用。100~1000nm，0.2~0.5mL/g，占比表面積很小，吸附量小，提供通道。二、吸附等溫線(xiàn)

當(dāng)吸附質(zhì)的吸附速率=解吸速率(即V吸附=V解吸)，即在單位時(shí)間內(nèi)吸附數(shù)量等于解吸的數(shù)量，則吸附質(zhì)在溶液中的濃度C與在吸附劑表面上的濃度都不再變時(shí)，即達(dá)到吸附平衡，此時(shí)吸附質(zhì)在溶液的濃度Ce叫平衡濃度。1.吸附平衡

衡量吸附劑吸附能力的大小，達(dá)到吸附平衡時(shí)，單位重量的吸附劑(g)所吸附的吸附質(zhì)的重量(g)。

2.吸附容量q(g/g)式中：V—水樣容積，(L)W—吸附劑（活性炭）投量，gC0—水中吸附質(zhì)濃度(g/L)

Ce—吸附平衡時(shí)水中剩余的吸附質(zhì)濃度

(g/L)

—平衡濃度

在恒定溫度下，在幾個(gè)燒杯中放入容積為V(L)溶質(zhì)濃度為C0的水樣，在各燒杯中同時(shí)投加不同質(zhì)量m(g)的吸附劑(如活性炭)，分別進(jìn)行攪拌。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不斷測(cè)定各杯水樣中的溶質(zhì)濃度Ci，直到溶質(zhì)濃度不變時(shí)的平衡濃度Ce為止，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以計(jì)算出單位重量活性炭可吸附的溶質(zhì)量，即為吸附容量。3.試驗(yàn)方法在一定T下，q隨平衡濃度Ce變化的曲線(xiàn)(q=f(Ce))叫吸附等溫線(xiàn)。用數(shù)學(xué)公式描述則叫吸附等溫式。q=f(C,T)，當(dāng)T不變時(shí)，即T恒定，則q=f(C)，叫吸附等溫線(xiàn)。

4.吸附等溫線(xiàn)5.吸附等溫式(三種)

Freundlich(費(fèi)蘭德利希)公式BET公式Langmuir(朗格謬)公式

b和qmax是常數(shù)，qmax與表面吸附的單分子表層濃度有關(guān)系，代表了當(dāng)Ce增加時(shí)qe的最大值。Langmuir(朗格謬)公式

取倒數(shù)式：

Freundlich(費(fèi)蘭德利希)公式式中：K、n——常數(shù)；

Ce——吸附質(zhì)平衡濃度（g/L）

q——吸附容量取對(duì)數(shù)：1/n越小，吸附性能越好，1/n=0.1~0.5，容易吸附；1/n>2，則難吸附。1/n較大則采用連續(xù)吸附，反之采用間歇吸附。適用于中等濃度吸附。

取倒數(shù)：BET公式可以適應(yīng)更廣泛的吸附現(xiàn)象。BET公式式中：qo—單分子吸附層的飽和吸附量，g/gCs—吸附質(zhì)的飽和濃度，g/L

B—常數(shù)C—平衡濃度，g/L

魯諾（Brunauer）、埃麥特（Emmet）和泰勒（Teller）BET公式包括了朗格謬公式：設(shè)

，且C<<Cs，則BET公式可寫(xiě)成：令b=1/m，qmax=qo

吸附量q是選擇吸附劑和吸附設(shè)備的重要參數(shù)，q決定吸附劑再生周期的長(zhǎng)短，q越大，再生周期越長(zhǎng)，再生劑用量及其費(fèi)用越小。q通過(guò)吸附試驗(yàn)來(lái)確定?？梢愿鶕?jù)吸附容量的計(jì)算公式來(lái)求吸附質(zhì)由濃度C0降到Ce所需要投加吸附劑的量。靜態(tài)吸附試驗(yàn)只能提供初步的可行性數(shù)據(jù)，不能模擬動(dòng)態(tài)吸附柱系統(tǒng)，也不能反映競(jìng)爭(zhēng)吸附。三種吸附等溫式都可用來(lái)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇何式為好，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線(xiàn)而定。

吸附速度v決定了水和吸附劑的接觸時(shí)間，v越大，則接觸時(shí)間越短，所需設(shè)備容積就越小，反之亦然。

三、吸附速度1.概念單位：衡量指標(biāo)吸附能力吸附速度固體吸附劑用吸附量衡量單位質(zhì)量吸附劑在單位時(shí)間內(nèi)所吸附的物質(zhì)量吸附階段顆粒外部擴(kuò)散階段孔隙擴(kuò)散階段吸附反應(yīng)階段吸附質(zhì)從溶液中擴(kuò)散到吸附劑表面吸附質(zhì)在吸附劑孔隙中繼續(xù)向吸附點(diǎn)擴(kuò)散吸附質(zhì)被吸附在吸附劑孔隙內(nèi)的吸附點(diǎn)表面2.吸附過(guò)程吸附速度主要取決于外部擴(kuò)散速度和孔隙擴(kuò)散速度。外部擴(kuò)散速度與溶液濃度成正比與吸附劑的比表面積的大小成正比吸附劑顆粒直徑越小，速度越快增加溶液與顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，加強(qiáng)攪動(dòng)孔隙擴(kuò)散速度吸附劑顆粒越小，速度越快

四、吸附的影響因素1.吸附劑吸附劑的種類(lèi)顆粒大小比表面積顆粒的細(xì)孔構(gòu)造與分布吸附劑是否是極性分子2.吸附質(zhì)的性質(zhì)溶解度：越低越容易吸附，具有較大的影響表面自由能：使液體表面自由能W降低得越多的吸附質(zhì)則越容易被吸附極性極性吸附劑易吸附極性的吸附質(zhì)。非極性吸附劑易吸附非極性的吸附質(zhì)（物以類(lèi)聚）吸附質(zhì)分子的大小和不飽和度吸附質(zhì)的濃度較低時(shí)，提高C可增加吸附量以后C↑，q增加很小，直至為一定值。

活性炭：易吸附分子直徑較大的飽和化合物合成沸石：易吸附分子直徑小的不飽和化合物

3.水的pH值4.共存物質(zhì)5.溫度6.接觸時(shí)間活性炭一般在酸性溶液中比在堿性溶液中吸附效果較好。對(duì)于物理吸附，共存多種物質(zhì)時(shí)的吸附比單一物質(zhì)時(shí)的吸附要差。對(duì)于物理吸附，T高則不利，吸附量減少。應(yīng)保證吸附達(dá)到平衡時(shí)的時(shí)間，而該時(shí)間的大小取決于吸附速度V，V大則所需時(shí)間短。五、吸附操作方式活性炭柱試驗(yàn)可以研究諸如流量、顆粒尺寸、吸附區(qū)高度、競(jìng)爭(zhēng)吸附、水溫等因素對(duì)吸附的影響并作出評(píng)價(jià)。使原水與吸附劑攪拌混合，而原水沒(méi)有自上而下流過(guò)吸附劑的流動(dòng)，這種吸附操作叫靜態(tài)吸附。靜態(tài)吸附原水通過(guò)吸附劑自上向下流動(dòng)而進(jìn)行吸附。一般是在吸附柱里完成的。動(dòng)態(tài)吸附

單床式、多床串聯(lián)式、多床并聯(lián)式。按水流方向又可分：升流式與降流式。1.吸附劑設(shè)備吸附劑在床中是固定的，原水自上而下流過(guò)吸附劑。固定床接近飽和的吸附劑從塔底間歇排出，每次卸出總填充量的5%

~20%，同時(shí)從塔頂投加等量再生炭或新炭。移動(dòng)床吸附劑在塔內(nèi)處于膨脹狀態(tài)。流化床2.穿透曲線(xiàn)指正在發(fā)生吸附作用的那段填充層，在吸附帶下部的填充層幾乎沒(méi)有發(fā)生吸附作用，而在吸附帶上部的填充層已達(dá)到飽和狀態(tài)，不再起吸附作用。吸附帶/區(qū)以吸附時(shí)間或吸附柱出水總體積為橫坐標(biāo)，以出水吸附質(zhì)濃度為縱坐標(biāo)所繪制出的曲線(xiàn)叫穿透曲線(xiàn)。穿透曲線(xiàn)當(dāng)出水吸附質(zhì)濃度達(dá)到最大允許值(Cc為(0.05~0.10)C0)時(shí)所對(duì)應(yīng)的出水總體積或吸附時(shí)間的穿透曲線(xiàn)上的那一點(diǎn)叫穿透點(diǎn)或泄漏。穿透點(diǎn)

出水濃度Cd為(0.90~0.95)C0時(shí)所對(duì)應(yīng)的出水總體積的穿透曲線(xiàn)上的那一點(diǎn)叫吸附終點(diǎn)(耗竭點(diǎn))。吸附終點(diǎn)從原水溶質(zhì)濃度降低到出水允許濃度時(shí)所需的活性炭層高度。吸附帶高度吸附速度越快，吸附帶的高度越短，活性炭層的利用率越高?？晒浪鉻c—進(jìn)水到泄漏時(shí)間；td—進(jìn)水到吸附柱耗竭時(shí)間；當(dāng)吸附柱出水濃度達(dá)到穿透時(shí)，但此時(shí)吸附柱內(nèi)的吸附劑并未完全飽和，仍能吸附相當(dāng)數(shù)量的吸附質(zhì)，直至出水濃度等于Cd(吸附終點(diǎn))為止。這部分吸附容量應(yīng)該充分利用。也即是充分利用吸附帶的吸附容量。2.吸附容量的利用

(1)

采用多床串聯(lián)操作I—II—III串聯(lián)運(yùn)行；II—III—Ⅳ串聯(lián)運(yùn)行；III—Ⅳ—I串聯(lián)運(yùn)行。

(2)采用升流式移動(dòng)床操作從底部排出的吸附劑都是接近飽和的，從而充分利用了吸附劑的吸附容量。

3.吸附劑的再生用某種方法將被吸附的物質(zhì)，從吸附劑的細(xì)孔中除去，回復(fù)吸附性能，以達(dá)到能重復(fù)使用的目的。由脫水、干燥、炭化，活化、冷卻等5步組成。加熱再生法無(wú)機(jī)酸或NaOH，有機(jī)溶劑(苯、丙酮等)。溶劑萃取法電解氧化法，O3氧化法，濕式氧化法?；瘜W(xué)氧化法利用微生物的作用，將被活性炭吸附的有機(jī)物加以氧化分解。生物法活性炭再生技術(shù)對(duì)比

4.吸附塔的設(shè)計(jì)活性炭池的大小決定于流量、水力負(fù)荷和接觸時(shí)間，由此可得出活性炭池的容積、斷面高度和炭池?cái)?shù)。最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法是應(yīng)用空床接觸時(shí)間（接觸時(shí)間）。已知原水設(shè)計(jì)流量Q(m3/h)，原水吸附質(zhì)濃度Co，出水吸附質(zhì)允許濃度Ce。吸附工作時(shí)間t—吸附柱出水達(dá)到穿透點(diǎn)的時(shí)間，線(xiàn)速度查圖得出K、No、ho

(2)活性炭每年更換次數(shù)n(吸附劑再生次數(shù))(3)活性炭年消耗量W(4)吸附質(zhì)年去除量G(kg/a)

(5)吸附效率E式中：No——達(dá)到飽和時(shí)吸附劑的吸附量，kg/m3；h——炭層高度；

ho——臨界高度。則：5.吸附法在原水處理中的應(yīng)用活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附對(duì)無(wú)機(jī)物的吸附廢水吸附法處理實(shí)例特別適合于難降解的有機(jī)物和用一般方法難以去除的溶解性有機(jī)物，用吸附實(shí)驗(yàn)確定去除率?；钚蕴繉?duì)金屬具有很強(qiáng)的吸附能力。染料化工廢水處理。鐵路貨車(chē)洗刷廢水處理?；鹚?TNT)化工廢水處理?；钚蕴课降膬?yōu)點(diǎn)處理程度高應(yīng)用范圍廣適應(yīng)性強(qiáng)具有吸附作用，生物降解作用設(shè)備緊湊、管理方便可回收有用物質(zhì)粒狀炭可再生重復(fù)使用6.生物活性炭(BAC)臭氧、活性炭吸附，用于深度處理。特點(diǎn)臭氧的作用完成生物硝化作用將溶解有機(jī)物進(jìn)行氧化增加水中的溶解氧濾前加臭氧，防止藻類(lèi)繁殖將不易生物降解的轉(zhuǎn)化為易于降解的將分子量高的氧化為分子量低的思考題1.活性炭等溫吸附試驗(yàn)的結(jié)果可以說(shuō)明哪些問(wèn)題？2.活性炭柱的接觸時(shí)間和泄漏時(shí)間指什么，兩者有什么關(guān)系？3.吸附區(qū)高度對(duì)活性炭柱有何影響？如何從泄漏曲線(xiàn)估計(jì)該區(qū)的高度？4.什么叫生物活性炭法，有什么特點(diǎn)？5.什么物質(zhì)易被活性炭吸附？什么物質(zhì)難于被吸附？6.在做靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)吸附劑與吸附質(zhì)達(dá)到吸附平衡時(shí)(此時(shí)吸附劑未飽和)，再往原水中投加吸附質(zhì)，請(qǐng)問(wèn)吸附平衡是否被打破？吸附劑吸附是否有變化？7.何謂吸附等溫線(xiàn)？常見(jiàn)的吸附等溫線(xiàn)有哪幾種類(lèi)型？吸附等溫式有哪幾種形式及應(yīng)用場(chǎng)合如何？8.何謂吸附帶與穿透曲線(xiàn)？吸附帶的吸附容量如何利用？9.如何繪制動(dòng)態(tài)吸附的穿透曲線(xiàn)？它能