第二篇 水的物理化学处理

第十章

吸

附

10.1

吸附的类型

10.1.1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。

10.1.2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。

10.1.3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

高温炭化活化,800~900℃木材、煤、果壳炭渣活性炭

隔绝空气，600℃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。

10.2吸附等温线与吸附速度

10.2.1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）。

（10-1）式中：V—废水容积；W—活性炭投量，gC0—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（三种）朗谬尔公式表示I型吸附等温线的有费兰德利希公式表示II型吸附等温线的有BET公式

1.朗谬尔公式：

（10-2）

取倒数式：

（10-3）2.费兰德利希经验公式：

（10-4）

适于中等等浓度吸吸附式中：K、n———常数；C——吸附质平平衡浓度度（g/L））q——吸附量取对数：：（10-5）1/n越小，吸吸附性能能越好，，1/n=0.1~0.5，，容易吸附附；1/n>2，则难吸附。1/n较大则采用连连续吸附，反反之采用间歇歇吸附。3.BET公式（多层吸吸附）（10-6）式中:qo—单分子吸附层层的饱和吸附附量,g/gCs—吸附质的饱和和浓度,g/LB—常数；C—平衡浓度，g/L取倒数：(10－7)BET公式包括了朗朗谬尔公式：：设，且C<<Cs，则BET公式可写成：：令a=1/m，，b=qo……朗谬尔式式BET公式可以适应应更广泛的吸吸附现象。※吸附量q是选择吸附剂剂和吸附设备备的重要参数数，q决定吸附剂再再生周期的长长短，q越大，再生周周期越长，再再生剂用量及及其费用越小小。q通过吸附试验验来确定。10.2.2吸附速度,单位:吸附速度V决定了废水和和吸附剂的接接触时间，V越大，则接触触时间越短，，所需设备容容积就越小，，反之亦然。。吸附过程一般般分为3个阶段：1.液膜扩散（颗颗粒外部扩散散）阶段2.颗粒内部扩散散阶段3.吸附反应阶段段：吸附质被被吸附在细孔孔内表面上。。吸附反应速度度非常快，V主要取决于第第I、II阶段速度，而而颗粒外部扩扩散速度（液液膜扩散）U=f(c、d、搅动)溶液浓度C↑，则U↑颗粒直径d↓，则U↑加强搅动，则则U↑而颗粒内部扩扩散速度V=f（细孔大小与构构造，吸附质质的d）吸附剂颗粒直直径d↓，V↑。。d的大小对内、、外部扩散都都有很大影响响，d↓,V↑。所以，粉末状状活性炭比粒粒状活性炭的的吸附速度要要快，接触时时间短，设备备容积小。10.2.3吸附的影响因因素1.吸附剂的性质质：吸附剂的的种类、颗粒粒大小、比表表面积，颗粒粒的细孔构造造与分布、吸吸附剂是否是是极性分子等等。2.吸附质的性质质：（1）溶解度：越越低越容易吸吸附，具有较较大的影响。。（2）使液体表面面自由能W降低得越多的的吸附质则越越容易被吸附附。（3）极性：极性吸附剂易易吸附极性的的吸附质。（物以类聚））非极性吸附剂剂易吸附非极极性的吸附质质。（4）吸附质分子子的大小和不不饱和度。活性炭：易吸吸附分子直径径较大的饱和和化合物合成沸石：易易吸附分子直直径小的不饱饱和化合物（5）吸附质的浓浓度较低时，，提高C可增加吸附量量。以后C↑，q增加很小，直直至为一定值值。3.废水的PH值活性炭一般在在酸性溶液中中比在碱性溶溶液中吸附效效果较好。4.共存物质：对对于物理吸附附，共存多种种物质时的吸吸附比单一物物质时的吸附附要差。5.温度：对于物物理吸附，T高则不利，，吸附量减减少。6.接触时间：：应保证吸吸附达到平平衡时的时时间，而该该时间的大大小取决于于吸附速度度V，V大则所需时时间短。10.3吸附操作方方式10.3.1静态吸附使废水与吸吸附剂搅拌拌混合，而而废水没有有自上而下下流过吸附附剂的流动动，这种吸吸附操作叫叫静态吸附附。10.3.2动态吸附废水通过吸吸附剂自上上向下流动动而进行吸吸附。1.吸附设备（1）固定床：：吸附剂在在床中是固固定的，废废水自上而而下流过吸吸附剂。单床式、多多床串联式式、多床并并联式。按水流方向向又可分：：升流式与与降流式。。（2）移动床：：接近饱和和的吸附剂剂从塔底间间歇排出，，每次卸出出总填充量量的（5~20）%，同时从塔塔顶投加等等量再生炭炭或新炭。。（3）流化床：：吸附剂在在塔内处于于膨胀状态态。2.穿透曲线（1）吸附带：：指正在发发生吸附作作用的那段段填充层，，在吸附带带下部的填填充层几乎乎没有发生生吸附作用用，而在吸吸附带上部部的填充层层已达到饱饱和状态，，不再起吸吸附作用。。（2）穿透曲线线：以吸附附时间或吸吸附柱出水水总体积为为横坐标，，以出水吸吸附质浓度度为纵坐标标所绘制出出的曲线叫叫穿透曲线线。（3）穿透点：：当出水吸吸附质浓度度Ca为(0.05~0.10)Co时所对应的的出水总体体积或吸附附时间的穿穿透曲线上上的那一点点叫穿透点点。（4）吸附终点点：出水浓浓度Cb为(0.90~0.95)Co时所对应的的出水总体体积的穿透透曲线上的的那一点叫叫吸附终点点（耗竭点点）。（5）吸附带长长度δ：从ta到tb的△t时间内，吸吸附带所移移动的距离离叫吸附带带长度δ（6）吸附带的的移动速度度V吸附带=δ/△t<<VL（2~10m/h）（7）无明显吸吸附带时，，多柱串联联试验绘制制穿透曲线线：将4~6根柱串联起起来，见图图10-1。填充层总总高度为3~9m，在不同高高度处设取取样口，首首先从第一一个柱进水水，依次通通过第2、3、4柱。当第1柱出水C1=（0.9~0.95）Co时，停止向向第1柱进水，将将1柱从系统中中脱离出来来进行再生生，将备用用柱5接在系统柱柱4之后，此时时原水通入入第2柱，待第二二柱出水浓浓度C2=（0.9~0.95）Co时，停止向向第2柱进水，将将第2柱从系统中中脱离开进进行再生，，并将再生生好的柱1接于柱5之后，此时时原水通入入第3柱。以此类类推进行连连续吸附操操作。各柱的吸附附量相等时时的运行状状态（面积积A=面积B）视为达到到了稳定运运行状态。。面积A为图10-1中第1条曲线与第第2条曲线所包包含的面积积，面积B为第2条曲线与第第3条曲线所包包含的面积积。3.吸附容量的的利用。当吸附柱出出水浓度达达到穿透时时，但此时时吸附柱内内的吸附剂剂并未完全全饱和，仍仍能吸附相相当数量的的吸附质，，直至出水水浓度等于于Cb（吸附终点点）为止。。这部分吸吸附容量应应该充分利利用。也即即是充分利利用吸附带带的吸附容容量。（1）采用多床床串联操作作（图10-2）I—II——III串联运行；；II—III—Ⅳ串联运行III—ⅣⅣ—I串联运行。。（2）采用升流流式移动床床操作（图图10-3）从底部排出出的吸附剂剂都是接近近饱和的，，从而充分分利用了吸吸附剂的吸吸附容量。。10.3.3吸附剂的再再生用某种方法法将被吸附附的物质，，从吸附剂剂的细孔中中除去，以以达到能重重复使用的的目的。1.加热再生法法：由脱水水、干燥、、炭化，活活化、冷却却等5步组成2.药剂再生法法：无机酸酸或NaOH，有机溶剂剂（苯、丙丙酮等）3.化学氧化法法：电解氧氧化法，O3氧化法，湿湿式氧化法法。4.生物法：利利用微生物物的作用，，将被活性性炭吸附的的有机物加加以氧化分分解。10.4吸附塔的设设计10.4.1博哈特——亚当斯计算算法1.博哈特——亚当斯方程程式（10-8）式中：t——工作时间，，h；V——线速度，即即空塔速度度，m/h；h——炭层高度，，m；Co——进水吸附质质浓度，kg/m3Ce——出水吸附质质允许浓度度，kg/m3K——速率系数，，m3/（kg·h）；No——吸附容量，，即达到饱饱和时吸附附剂的吸附附量（kg/m3）。>>1，上式等号号右边括号号内的1可忽略不计计，则工作作时间t：（10-9）临界界高高度度ho：当当t=0时，，保保证证出出水水吸吸附附质质浓浓度度C不超超过过Ca（穿穿透透浓浓度度））时时的的吸吸附附剂剂层层的的理理论论高高度度（10-10）ho即吸吸附附带带高高度度，，ho↓↓吸附附反反应应越越快快。。2.模型型试试验验———求临临界界高高度度ho截距距：：；；；；；线速速度度（（m/h）；；以以不不同同的的V进行行上上述述试试验验，，将将不不同同V时的的No、K、ho作图图，，可可分分别别得得出出K——V、No——V、ho——V三条条曲曲线线。。3.吸附附塔塔设设计计已知知废废水水设设计计流流量量Q（m3/h），，原原水水吸吸附附质质浓浓度度Co，出出水水吸吸附附质质允允许许浓浓度度Ce。（1）吸吸附附工工作作时时间间t————吸附附柱柱出出水水达达到到穿穿透透点点的的时时间间，，线线速速度度（m/h）查查图图得得出出K、No、ho（小小时时））（（10-11）（2）活活性性炭炭每每年年更更换换次次数数n（吸吸附附剂剂再再生生次次数数））（次次/a）（（10-12）（3）活活性性炭炭年年消消耗耗量量W（m3/a）（（10-13）（4）吸吸附附质质年年去去除除量量G（kg/a）：：，Co、Ce均以以mg/L为单单位位(kg/a)（10-14）(5)吸附附效效率率E（10-15）式中中：：No———达到到饱饱和和时时吸吸附附剂剂的的吸吸附附量量，，（（kg/m3）h———炭层层高高度度；；ho———临界界高高度度则：：（10-16）10.4.2通水水倍倍数数法法按穿穿透透时时每每kg吸附附剂剂所所通通过过的的废废水水的的体体积积（（m3）计计算算。。10.4.3吸附附法法在在废废水水处处理理中中的的应应用用1.活性性炭炭对对有有机机物物的的吸吸附附特别别适适合合于于难难降降解解的的有有机机物物和和用用一一般般方方法法难难以以去去除除的的溶溶解解性性有有机机物物———用吸吸附附实实验验确确定定去去除除率率。。活性性炭炭吸吸附附的的优优点点：：（1）处理程度高高，用于城市市污水的深度度处理，ηBOD5=99%；出水TOC=1~3mg/L。（2）应用范围广广，对绝大多多数有机物都都有效（3）适应性强，，对水量和有有机物负荷的的变动具有较较强的适应性性。（4）粒状炭可再再生重复使用用。（5）可回收有用用物质。（6）设备紧凑、、管理方便。。（7）不仅具有吸吸附作用，而而且还有生物物降解作用。。2.对无机物的吸吸附活性炭对金属属具有很