水污染控制工程ppt——第十章 吸附

1、第十章第十章 吸吸 附附 10.1 吸附的类型吸附的类型 10.1.1 吸附吸附 在相界面上，物质的浓度自动发生累积在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓集的现象。或浓集的现象。 固固液界面上的吸附：液界面上的吸附： 吸附剂：具有吸附能力的多孔性固吸附剂：具有吸附能力的多孔性固 体物质。体物质。 吸附质：废水中被吸附的物质。吸附质：废水中被吸附的物质。 10.1.2吸附的分类吸附的分类 1. 物理吸附：靠分子间力产生的吸附，可物理吸附：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。吸附多种吸附质，可形成多分子吸附层。吸附吸附解吸是可逆过程，在低温下就能解吸是可逆过程，在低温下就能

2、吸附。吸附。 2. 化学吸附：由化学键力引起的吸附，吸化学吸附：由化学键力引起的吸附，吸能形成单分子吸附层，并具有选择性，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。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，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。可能存在以某种吸附为主。 10.1.3吸附剂吸附剂主要有活性炭、磺化煤、沸石、硅藻土、焦炭、主要有活性炭、磺化煤、沸石、硅藻土、焦炭、木炭等木炭等。1、活性炭的制造、活性炭的制造 高温炭化高温炭化 活化活化,8

3、00900木材、煤、果壳木材、煤、果壳 炭渣炭渣 活性炭活性炭 隔绝空气，隔绝空气，600 活化剂：活化剂：ZnCl2 蒸汽高温活化蒸汽高温活化 粉末状活性炭粉末状活性炭 粒状活性炭（园柱状、球状），粒径粒状活性炭（园柱状、球状），粒径24mm 棒状活性炭：棒状活性炭：50mm，L=255mm 2.活性炭的细孔构造和分布活性炭的细孔构造和分布 1.比表面积比表面积 每每g活性炭所具有的表面积。活性炭的活性炭所具有的表面积。活性炭的比表面积为：比表面积为：50017005001700m m2 2/g/g，99.9%99.9%的表面的表面积，在多孔结构颗粒的内部。积，在多孔结构颗粒的内部。 2 2

4、. .细孔构造细孔构造 小孔：小孔：22nmnm，0.150.90mL/g0.150.90mL/g，占比表面占比表面积的积的95%95%以上，起吸附作用，吸附量以小孔以上，起吸附作用，吸附量以小孔吸附为主。吸附为主。 过渡孔：过渡孔：2 2100100nmnm，0.020.020.10mL/g0.10mL/g，占占比表面积比表面积5%2，则难吸附。则难吸附。1/n较大则采用连续吸较大则采用连续吸附，反之采用间歇吸附。附，反之采用间歇吸附。 CnKqlg/ 1lglg 3. .BET公式（多层吸附）公式（多层吸附） （10-6）式中式中:qo单分子吸附层的饱和吸附量单分子吸附层的饱和吸附量,g/

5、gCs吸附质的饱和浓度吸附质的饱和浓度,g/L B常数；常数；C平衡浓度，平衡浓度，g/L SsCCBCCBCqq/) 1(1)(0 取倒数：取倒数： (10(107)7)BETBET公式包括了朗谬尔公式：公式包括了朗谬尔公式： 设设 ， 且且CCCCs s，则则BETBET公式可写成：公式可写成：令令a=1/ma=1/m，b=qb=qo o 朗谬尔式朗谬尔式 SSCCBqBBqqCCC 0011)(mCBsmCCqmSCCmCSCCqmSCSCCmSCCSCCqmSCq/10/1)/(10/1)/(1)(0/ acabcq 1 BET公式可以适应更广泛的吸附现象。公式可以适应更广泛的吸附现象

6、。吸附量吸附量q是选择吸附剂和吸附设备的重要是选择吸附剂和吸附设备的重要参数，参数，q决定吸附剂再生周期的长短，决定吸附剂再生周期的长短，q越大，再生周期越长，再生剂用量及其越大，再生周期越长，再生剂用量及其费用越小。费用越小。q通过吸附试验来确定。通过吸附试验来确定。 10.2.2 吸附速度吸附速度 , 单位单位: 吸附速度吸附速度V决定了废水和吸附剂的接决定了废水和吸附剂的接触时间，触时间，V越大，则接触时间越短，所需越大，则接触时间越短，所需设备容积就越小，反之亦然。设备容积就越小，反之亦然。 tqV/ min)/( gg 吸附过程一般分为吸附过程一般分为3个阶段：个阶段： 1.液膜扩散

7、（颗粒外部扩散）阶段液膜扩散（颗粒外部扩散）阶段 2.颗粒内部扩散阶段颗粒内部扩散阶段 3.吸附反应阶段：吸附质被吸附在细孔内吸附反应阶段：吸附质被吸附在细孔内表面上。表面上。 吸附反应速度非常快，吸附反应速度非常快，V主要取决于第主要取决于第I、II阶段速度，而颗粒外部扩散速度（液阶段速度，而颗粒外部扩散速度（液膜扩散）膜扩散）U=f(c、d、搅动搅动) 溶液浓度溶液浓度C，则则U 颗粒直径颗粒直径d，则则U 加强搅动，则加强搅动，则U 而颗粒内部扩散速度而颗粒内部扩散速度V=f（细孔大小与细孔大小与构造，吸附质的构造，吸附质的d）吸附剂颗粒直径吸附剂颗粒直径d，V。 d的大小对内、外部扩散

8、都有很大影响，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，设性炭的吸附速度要快，接触时间短，设备容积小。备容积小。 10.2.3 吸附的影响因素吸附的影响因素1.吸附剂的性质：吸附剂的种类、颗粒大吸附剂的性质：吸附剂的种类、颗粒大小、比表面积，颗粒的细孔构造与分布、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。吸附剂是否是极性分子等。2.吸附质的性质：吸附质的性质：（1）溶解度：越低越容易吸附，具有较大）溶解度：越低越容易吸附，具有较大的影响。的影响。（2）使液体表面自由能）使液体表面自由能W降低得

9、越多的吸降低得越多的吸附质则越容易被吸附。附质则越容易被吸附。 （3）极性：）极性：极性吸附剂易吸附极性的吸附质极性吸附剂易吸附极性的吸附质。 （物以类聚）（物以类聚）非极性吸附剂易吸附非极性的吸附质。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。）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）吸附质的浓度较低时，提高C可增加吸附量。可增加吸附量。以后以后C，q增加很小，直至为一定值。增加很小，直至为一定

10、值。 3.废水的废水的PH值值 活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液中吸附效果较好。中吸附效果较好。4.共存物质：对于物理吸附，共存多种物共存物质：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。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，温度：对于物理吸附，T高则不利，吸附高则不利，吸附量减少。量减少。6.接触时间：应保证吸附达到平衡时的时接触时间：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间，而该时间的大小取决于吸附速度V，V大则所需时间短。大则所需时间短。10.3 吸附操作方式吸附操作方式10.3.1 静态吸附静态吸附

11、 使废水与吸附剂搅拌混合，而废水没有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，这种吸附自上而下流过吸附剂的流动，这种吸附操作叫静态吸附。操作叫静态吸附。10.3.2动态吸附动态吸附 废水通过吸附剂自上向下流动而进行吸废水通过吸附剂自上向下流动而进行吸附。附。 1.吸附设备吸附设备（1）固定床：吸附剂在床中是固定的，废）固定床：吸附剂在床中是固定的，废水自上而下流过吸附剂。水自上而下流过吸附剂。 单床式、多床串联式、多床并联式。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。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）移动床：接

12、近饱和的吸附剂从塔底间歇排出，每次卸出总填充量的（歇排出，每次卸出总填充量的（520）%，同时从塔顶投加等量再生炭或新炭。，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。）流化床：吸附剂在塔内处于膨胀状态。 2.穿透曲线穿透曲线（1）吸附带：指正在发生吸附作用的那段）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。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）穿透曲线：以吸附时间或吸附

13、柱出水总体积为横坐标，以出水吸附质浓度为总体积为横坐标，以出水吸附质浓度为纵坐标所绘制出的曲线叫穿透曲线。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）穿透点：当出水吸附质浓度Ca为为(0.050.10)Co时所对应的出水总体积或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吸附时间的穿透曲线上的那一点叫穿透点。点。 （4）吸附终点：出水浓度）吸附终点：出水浓度Cb为为(0.900.95)Co时所对应的出水总体积的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（耗竭穿透曲线上的那一点叫吸附终点（耗竭点）。点）。（5）吸附带长度）吸附带长度：从：从ta到到tb的的

14、t时间内，时间内，吸附带所移动的距离叫吸附带长度吸附带所移动的距离叫吸附带长度（6）吸附带的移动速度）吸附带的移动速度V吸附带吸附带=/ t 1，上式等号右边括号内的，上式等号右边括号内的1可忽可忽略不计，则工作时间略不计，则工作时间t： （10-9） 临界高度临界高度ho：当：当t=0时，保证出水吸附质浓度时，保证出水吸附质浓度C不超过不超过Ca（穿透浓度）时的吸附剂层的理论高（穿透浓度）时的吸附剂层的理论高度度 （10-10） ho即吸附带高度，即吸附带高度，ho吸附反应越快。吸附反应越快。 VhKN/exp0 1/ln10000 eCCKChVCNt 1/ln000 eCCKNVh 2.

15、模型试验模型试验求临界高度求临界高度ho进水C0取样口231出水C0图 10-4 活性炭炭柱（模型试验） 截距：截距： ； ； ； 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KV、NoV、hoV三条曲线。图 10-5 t对 h的 图 解截距ln( )-1/KC0C0Ceth斜 率N0C0V212hhh 3213hhhh 11hh 1/ln/100 eCCKC 图 10-6 K、 N0h0对 V的 图 解0VN0Kh0N0h0K 3.吸附塔设计吸附塔设计 已知废水设计流量已知废水设计流量Q（m3/h），原水吸附质浓），原水吸附质浓度度Co，出水吸附质允许

16、浓度，出水吸附质允许浓度Ce。（1）吸附工作时间）吸附工作时间t吸附柱出水达到穿透点吸附柱出水达到穿透点的时间，线速度的时间，线速度 （m/h）查图得出）查图得出K、No、ho （小时）（小时）（10-11） 24DQV 1/ln100000 eCCKChVCNt （2）活性炭每年更换次数）活性炭每年更换次数n（吸附剂再生次数）（吸附剂再生次数） （次（次/a）（）（10-12）（3）活性炭年消耗量）活性炭年消耗量W （m3/a） （10-13）（4）吸附质年去除量）吸附质年去除量G（kg/a）：）：，Co、Ce均以均以mg/L为单位为单位(kg/a) （10-14） tn24365 nhDW

17、 42 )(8760hnt 10000eCCnQtG )(76.80eCCQG (5)吸附效率吸附效率E（10-15）式中：式中： No达到饱和时吸附剂的吸附量，（达到饱和时吸附剂的吸附量，（kg/m3）h炭层高度；炭层高度； ho临界高度临界高度则则 ：（10-16） %1000 GGE4200hnDNG %1000 hhhE 10.4.2 通水倍数法通水倍数法 按穿透时每按穿透时每kg吸附剂所通过的废水的体吸附剂所通过的废水的体积（积（m3）计算。）计算。10.4.3 吸附法在废水处理中的应用吸附法在废水处理中的应用1.活性炭对有机物的吸附活性炭对有机物的吸附 特别适合于难降解的有机物和用

18、一般方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法难以去除的溶解性有机物用吸附用吸附实验确定去除率。实验确定去除率。 2. 对无机物的吸附对无机物的吸附 活性炭对金属具有很强的吸附能力。活性炭对金属具有很强的吸附能力。3. 废水吸附法处理实例。废水吸附法处理实例。（1）染料化工废水处理。）染料化工废水处理。（2）铁路货车洗刷废水处理。）铁路货车洗刷废水处理。（3）火药（）火药（TNT）化工废水处理。）化工废水处理。思考题思考题1、活性炭等温吸附试验的结果可以说明哪、活性炭等温吸附试验的结果可以说明哪些问题？些问题？2、活性炭柱的接触时间和泄漏时间指什么，、活性炭柱的接触时间和泄漏时间指什么，两者有什么关系？两者有什么关系？3、吸附区高度对活性炭柱有何影响？如何、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？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？、什么叫生物活性炭法，有什么特点？5、什么