污水的吸附法、离子交换法

污水的吸附法、离子交换法、萃取法和膜析法处理

利用物理化学的原理和化工单元操作去除污水中的杂质，处理对象主要是污水中无机的或有机的(难于生物降解的)溶解物质或胶体物质，尤其适用于处理杂质浓度很高的污水(用作回收利用的方法)或是很低的废水(用作污水的深度处理)吸附分离过程具有节能、产品纯度高、可除去痕量物质、操作温度低等突出特点，使这一过程在化工、医药、食品、轻工、环保等行业得到了广泛的应用：（1）气体或液体的脱水及深度干燥，如将乙烯气体中的水分脱到痕量，再聚合。（2）气体或溶液的脱臭、脱色及溶剂蒸气的回收，如在喷漆工业中，常有大量的有机溶剂逸出，采用活性炭处理排放的气体，既减少环境的污染，又可回收有价值的溶剂。（3）气体中痕量物质的吸附分离，如纯氮、纯氧的制取。（4）分离某些精馏难以分离的物系，如烷烃、烯烃、芳香烃馏分的分离。（5）废气和废水的处理，如从高炉废气中回收一氧化碳和二氧化碳，从炼厂废水中脱除酚等有害物质§17-1吸附法

固体表面的分子或原子因受力不均衡而具有剩余的表面能，当某些物质碰撞固体表面时，受到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上，产生吸附。吸附的结果是吸附质在吸附剂上浓集，吸附剂的表面能降低吸附：当流体与多孔固体接触时,流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄,这种现象称为吸附一、吸附原理固体称吸附剂。被固体吸附的物质称吸附质。

物理吸附指溶质与吸附剂之间由于分子间力(范德华力)而产生的吸附。物理吸附特点是没有选择性，吸附质并不固定在吸附剂表面的特定位置上，而多少能在界面范围内自由移动，因而其吸附的牢固程度不如化学吸附。物理吸附主要发生在低温状态下，过程放热较小，可以是单分子层或多分子层吸附。影响物理吸附的主要因素是吸附剂的比表面积和细孔分布化学吸附指溶质与吸附剂发生化学反应，形成牢固的吸附化学键和表面络合物，吸附质分子不能在表面自由移动。吸附时放热量较大，与化学反应的反应热接近。化学吸附有选择性，即一种吸附剂只对某种或特定几种物质有吸附作用，一般为单分子层吸附。通常需要一定的活化能，在低温时，吸附速度较小。这种吸附与吸附剂的表面化学性质和吸吸质的化学性质有密切的关系

物理吸附后再生容易，且能回收吸附质。化学吸附因结合牢固，再生较因难，必须在高温下才能脱附，脱附下来的可能还是原吸附质，也可能是新的物质。利用化学吸附处理毒性很强的污染物更安全。在实际的吸附过程中，上述几类吸附往往同时存在，但在一个系统中，可能某一种吸附是主要的二、吸附平衡平衡吸附量：当温度、压强一定时，吸附剂与流体长时间接触，吸附量不再增加，吸附相（吸附剂和已吸附的吸附质）与流体达到平衡，此时的吸附量为平衡吸附量。吸附等温线：吸附平衡关系常用不同温度下的平衡吸附量与吸附质分压或浓度的关系表示，其关系曲线称为吸附等温线1．气相的吸附等温线（1）气相单组分吸附平衡1）单分子层物理吸附（朗格缪尔等温式）假设吸附剂表面均匀，被吸附的分子间无作用，吸附质在吸附剂的表面只形成均匀的单分子层，则吸附量随吸附质分压的增加平缓接近平衡吸附量。如在－193℃下，氮在活性炭上的吸附其吸附等温线如图中Ⅰ所示

。2）多分子层吸附（弗伦的利希等温式）假设吸附分子在吸附剂上按层次排列，已吸附的分子之间作用力忽略不计，吸附的分子可以累叠，而每一层的吸附服从朗格谬尔吸附机理，此吸附为多分子层吸附。如在30℃下水蒸汽在活性炭上的吸附，其吸附等温线见图中Ⅱ

。

气相单组分吸附平衡曲线三、影响吸附的因素1.吸附过程与吸附速率的控制吸附速率是设计吸附装置的重要依据。吸附速率：是指当流体与吸附剂接触时，单位时间内的吸附量，kg/s。吸附速率与物系、操作条件及浓度有关，当物系及操作条件一定时，吸附过程包括以下三个步骤：（1）吸附质从流体主体以对流扩散的形式传递到固体吸附剂的外表面，此过程称为外扩散（颗粒外部扩散阶段）。（2）吸附质从吸附剂的外表面进入吸附剂的微孔内，然后扩散到固体的内表面，此过程为内扩散（空袭扩散阶段）。（3）吸附质在固体内表面上被吸附剂所吸附，称为表面吸附过程（扩散反应阶段）。通常吸附为物理吸附，表面吸附速率很快，故总吸附速率主要取决于内外扩散速率的大小。外扩散控制的吸附：当外扩散速率小于内扩散速率时，总吸附速率由外扩散速率决定，此吸附为外扩散控制的吸附。内扩散控制的吸附：当内扩散速率小于外扩散速率时，此吸附为内扩散控制的吸附，总吸附速率由内扩散速率决定2.影响吸附的因素

吸附能力和吸附速度是衡量吸附过程的主要指标。在水处理中，吸附速度决定了污水需要与吸附剂接触的时间。吸附速度快，则所需的接触时间短，吸附设备的容积小一般，吸附速度主要取决于外部扩散速度和孔隙扩散速度，影响吸附速度的主要因素有：A比表面积：颗粒外部扩散速度与溶液浓度成正比，也与吸附剂的比表面积的大小成正比。因此吸附剂颗粒直径越小，外部扩散速度越快。同时，增加溶液与颗粒间的相对运动速度，也可以提高外部扩散速度b孔结构：孔隙扩散速度与吸附剂孔隙的大小和结构，吸附质颗粒的大小和结构等因素有关。一般，吸附剂颗粒越小，孔隙扩散速度越快C吸附剂表面化学性质：吸附剂的物理化学性质和吸附质的物理化学性质对吸附有很大影响。一般，极性分子(或离子)型的吸附剂容易吸附极性分子(或离子)型的吸附质；非极性分子型的吸附刑容易吸附非极性的吸附质。同时，吸附质的溶解度越低，越容易被吸附。吸附质的浓度增加，吸附量也随之增加D操作条件：污水的pH值对吸附也有影响，活性炭一般在酸性条件下比在碱性条件下有较高的吸附量。吸附反应通常是放热反应，因此温度低对吸附反应有利四、吸附剂及其再生一切固体物质都有吸附能力，但是只有多孔物质或磨得极细的物质由于具有很大的表面积，才能作为吸附剂。工业吸附剂还必须满足下列要求：①吸附能力强②吸附选择性好；③吸附平衡浓度低；④容易再生和再利用；⑤机械强度好；⑥化学性质稳定；⑦价廉易得。一般工业吸附剂难于同时满足这八个方面的要求，因此，应根据不同的场合选用1.吸附剂种类（1）活性炭最常用的吸附剂。具有非极性表面，比表面积较大，化学稳定性好，抗酸耐碱，热稳性高，再生容易。合成纤维经炭化后可制成活性炭纤维吸附剂，使吸附容量提高数十倍，因活性炭纤维可以编制成各种织物，流体流动阻力减少。活性炭也可加工成炭分子筛，具有分子筛的作用，常用于空气分离制氮、改善饮料气味、香烟的过滤嘴等场合。（2）硅胶硅胶的分子式通常用SiO2·nH2O表示。它的比表面积达800m2/g。工业用的硅胶有球型、无定形、加工成型和粉末状四种。硅胶是亲水性的极性吸附剂，对不饱和烃、甲醇、水分等有明显的选择性。主要用于气体和液体的干燥、溶液的脱水。（3）活性氧化铝活性氧化铝是一种极性吸附剂，对水分有很强的吸附能力。其比表面积约为200～500m2/g，用不同的原料，在不同的工艺条件下，可制得不同结构、不同性能的活性氧化铝。活性氧化铝主要用于气体的干燥和液体的脱水，如汽油、煤油、芳烃等化工产品的脱水；空气、氦、氢气、氯气、氯化氢和二氧化硫等气体的干燥。（4）合成沸石分子筛沸石分子筛是指硅铝酸金属盐的晶体，它是一种强极性的吸附剂，对极性分子，特别是对水有很大的亲和能力，它的比表面积可达750m2/g，具有很强的选择性。常用于石油馏分的分离、各种气体和液体的干燥等场合，如从混合二甲苯中分离出对二甲苯，从空气中分离氧。（5）有机树脂吸附剂有机树脂吸附剂是高分子物质，它可以制成强极性、弱极性、非极性、中性，广泛用于废水处理、维生素的分离及过氧化氢的精制等场合（6）腐植酸类吸附刘用作吸附剂的腐植酸类物质有：天然的富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐煤等，可以直接使用或经简单处理后使用；将富含腐植酸的物质用适当的粘合剂制备成的腐植酸系树脂。腐植酸是一组芳香结构的，性质与酸性物质相似的复杂混合物。它含的活性基团有酚羟基、羧基、醇羟基、甲氧基、羰基、醌基、胺基、磺酸基等。这些活性基团有阳离子吸附性能。腐植酸对阳离子的吸附，包括离子交换、整合、表面吸附、凝聚等作用。腐核酸类物质能吸附工业废水中的许多金属离子，如汞、铬、锌、镉、铅、铜等。腐植酸类物质在吸附重金属离子后，可以用H2SO4、HCl、NaCl等进行解吸2．吸附剂的性能：吸附剂具有良好的吸附特性，主要是因为它有多孔结构和较大的比表面积，下面介绍与孔结构和比表面积有关的基础性能。（1）密度

1）填充密度B（又称体积密度）是指单位填充体积的吸附剂质量。通常将烘干的吸附剂装入量筒中，摇实至体积不变，此时吸附剂的质量与该吸附剂所占的体积比称为填充密度。2）表观密度P（又称颗粒密度）定义为单位体积吸附剂颗粒本身的质量。3）真实密度t

是指扣除颗粒内细孔体积后单位体积吸附剂的质量。（2）吸附剂的比表面积吸附剂的比表面积是指单位质量的吸附剂所具有的吸附表面积，㎡／g。吸附剂孔隙的孔径大小直接影响吸附剂的比表面积，孔径的大小可分三类：大孔、过渡孔、微孔。吸附剂的比表面积以微孔提供的表面积为主，常采用气相吸附法测定。（3）吸附容量吸附容量是指吸附剂吸满吸附质时的吸附量（单位质量的吸附剂所吸附吸附质的质量），它反映了吸附剂吸附能力的大小。吸附量可以通过观察吸附前后吸附质体积或质量的变化测得。也可用电子显微镜等观察吸附剂固体表面的变化测得。间歇式和连续式。间歇式是将废水和吸附剂放在吸附池内进行搅拌30min左右．然后静置沉淀，排除澄清液。间歇式吸附主要用于小量废水的处理和实验研究，在生产上要用两个吸附池、交换工作。在一般情况下，都采用连续的方式。连续吸附可以采用固定床、移动床和流化床。固定床连续吸附方式是废水处理中最常用的。吸附剂固定填放在吸附柱(或塔)中，所以叫固定床。移动床连续吸附是指在操作过程中定期地将接近饱和的一部分吸附剂从吸附柱排出，并同时将等量的新鲜吸附剂加入柱中。所谓流化床是指吸附剂在吸附柱内处于膨胀状态，悬浮于由下而上的水流中。

五、吸附操作吸附分离过程包括吸附过程和解吸过程。由于需处理的流体浓度、性质及要求吸附的程度不同，故吸附操作有多种形式。1．接触过滤式操作把要处理的液体和吸附剂一起加入到带有搅拌器的吸附槽中，使吸附剂与溶液充分接触，溶液中的吸附质被吸附剂吸附，经过一段时间，吸附剂达到饱和，将料浆送到过滤机中，吸附剂从液相中滤出，若吸附剂可用，经适当的解吸，回收利用。在接触式吸附操作时，使用搅拌使溶液呈湍流状态，颗粒外表面的膜阻力减少，该操作适用于外扩散控制的传质过程。接触过滤吸附操作所用设备主要有釜式或槽式，设备结构简单，操作容易。广泛用于活性炭脱除糖液中的颜色等方面。2．固定床吸附操作固定床吸附操作是把吸附剂均匀堆放在吸附塔中的多孔支承板上，含吸附质的流体可以自上而下流动，也可自下而上流过吸附剂。在吸附过程中，吸附剂不动。固定床的吸附过程与再生过程在两个塔式设备中交替进行，如图，表示阀门关闭，o表示阀门打开。吸附在吸附塔1中进行，出塔流体中吸附质的浓度高于规定值时，物料切换到吸附塔2，吸附塔1采用变温或减压等方法进行吸附剂再生，然后再在塔1中进行吸附，塔2中进行再生。固定床吸附操作流程示意图固定床吸附塔优点：结构简单，加工容易，操作方便灵活，吸附剂不易磨损，物料的返混少，分离效率高，回收效果好，故固定床吸附操作广泛用于气体中溶剂的回收、气体干燥和溶剂脱水等方面。但固定床吸附操作的传热性能差，且当吸附剂颗粒较小时，流体通过床层的压降较大，因吸附、再生及冷却等操作需要一定的时间，故生产效率较低3．移动床吸附操作移动床吸附操作是指待处理的流体在塔内自上而下流动，在与吸附剂接触时，吸附质被吸附，已达饱和的吸附剂从塔下连续或间歇排出，同时在塔的上部补充新鲜的或再生后的吸附剂。与固定床相比，移动床吸附操作因吸附和再生过程在同一个塔中进行，所以设备投资费用少移动床吸附装置

是用由椰壳或果核制成的致密坚硬的活性炭，进行轻烃气体分离而设计的，称为“超吸附器”。设备高约20～30ｍ，分为若干段，最上段为冷却器，是垂直的列管式热交换器，用于冷却吸附剂，往下是吸附段、增浓段(精馏段)、气提段，它们彼此由分配板隔开。最下部是脱附器，它和冷却器一样也是列管式的热交换器。在塔的下部还装有吸附剂流控制器，固体颗粒层高度控制器以及颗粒卸料阀门及其封闭装置。塔的结构可以使固相连续，稳定的输入和输出，气固两相接触良好，不致发生沟流或局部不均匀现象。4．流化床吸附操作及流化床－移动床联合吸附操作流化床吸附操作是使流体自下而上流动，流体的流速控制在一定的范围，保证吸附剂颗粒被托起，但不被带出，处于流态化状态进行的吸附操作。该操作的生产能力大，但吸附剂颗粒磨损程度严重，且由于流态化的限制，使操作范围变窄。流化床－移动床联合吸附操作将吸附再生集一塔，如下图所示。塔的上部为多层流化床，在此原料与流态化的吸附剂充分接触，吸附后的吸附剂进入塔中部带有加热装置的移动床层，升温后进入塔下部的再生段。在再生段中吸附剂与通入的惰性气体逆流接触得以再生。最后靠气力输送至塔顶重新进入吸附段，再生后的流体可通过冷却器回收吸附质。流化床—移动床联合吸附床常用于混合气中溶剂的回收、脱除CO2和水蒸汽等场合。该操作具有连续、吸附效果好的特点。因吸附在流化床中进行，再生前需加热，所以此操作存在吸附剂磨损严重、吸附剂易老化变性的问题流化床—移动床联合吸附分离示意图五、吸附过程的强化强化吸附过程可以从两个方面入手，一是对吸附剂进行开发与改进，二是开发新的吸附工艺。1、吸附剂的改性与新型吸附剂的开发吸附效果的好坏及吸附过程规模化与吸附剂性能的关系非常密切，工业上希望开发出吸附容量大、选择性强、再生容易的吸附剂，目前大多数吸附剂吸附容量小限制了吸附塔的处理能力，使得吸附过程频繁地进行吸附、解吸和再生。近期开发的较新型吸附剂如炭分子筛、活性炭纤维、金属吸附剂和各种专用吸附剂不同程度地解决了吸附容量小和选择性弱的缺憾，使的某些有机异构体、热敏性物质、性能相近的混合物分离成为可能。2、开发新的吸附分离工艺随着食品、医药、精细化工和生物化工的发展，需要开发出新的吸附分离工艺，吸附过程需要完善和大型化已成为一个重要问题。吸附分离工艺与再生解吸方法有关，而再生方法又取决于组分在吸附剂上吸附性能的强弱和进料量的大小等因素，随着各种性能良好的吸附剂的不断开发，吸附分离工艺也得以迅速发展，如大型工业色谱吸附分离生产胡萝卜素、叶黄质和叶绿素。快速变压吸附工艺制造航空高空飞机用氧。参数泵吸附分离用于分