第二章吸附的类型

第二章吸附

分离

12.1

吸附的类型

2.1.1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。

2吸附机制：固体表面分子(或原子)处于特殊的状态。固体内部分子所受的力是对称的，故彼此处于平衡。但在界面分子的力场是不饱和的，即存在一种固体的表面力，它能从外界吸附分子、原子、或离子，并在吸附表面上形成多分子层或单分子层。3

2.1.2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。

45硅藻土过滤机6

2.1.3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

7

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。8

·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。

910吸附剂的性能表征化学成分材料结构比表面积：单位质量物体所具有的表面积(m2/g)

测量方法：BET法

一般采用B.E.T(Brunueer-Emmett-Teller)法：在液氮温度下(-196°C)，用吸附剂吸附氮气，在吸附剂表面形成单分子吸附层，测定氮气的吸附体积vm(cm3/g)，计算比表面积a(cm2/g): N-阿弗加德罗常数，s-被吸附分子的横截面积，在-196°C氮气分子的s=1.6210-15cm2。11平均孔径、或平均粒度,及其分布，孔隙率测量方法：压汞法孔径及分布测定

吸附剂的孔径及分布可采用水银压入法，利用汞孔度计测定。当压力升高时，水银可进入到细孔中，压力p与孔径d的关系为

-水银的表面张力(0.48N/m2)，-水银与细孔壁的接触角(=140°)。通过测定水银体积与压力之间的关系即可求出孔径的分布情况。1213生物活性碳(BiologicalActivatedCarbon)生物活性碳法是利用活性炭为载体，使炭在处理废水过程中炭表面上生成生物膜，产生活性炭吸附和微生物氧化分解有机物的协同作用的废水生物处理过程。此法提高了对废水中有机物的去除率，增加了对毒物和负荷变化的稳定性，改善了污泥脱水及消化的性能，延长了活性炭的使用寿命，是一种以生物处理为主，同时具有物化处理特点的一项生物处理新技术。142.2吸附等温线与吸附速度

2.2.1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。

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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。

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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

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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）

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适于中等浓度吸附式中：K、n——常数；C——吸附质平衡浓度（g/L）q——吸附量取对数：（10-5）1/n越小，吸附性能越好，1/n=0.1~0.5，容易吸附；1/n>2，则难吸附。1/n较大则采用连续吸附，反之采用间歇吸附。

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3.BET公式（多层吸附）

（10-6）式中:qo—单分子吸附层的饱和吸附量,g/gCs—吸附质的饱和浓度,g/LB—常数；C—平衡浓度，g/L

2021

BET公式可以适应更广泛的吸附现象。※吸附量q是选择吸附剂和吸附设备的重要参数，q决定吸附剂再生周期的长短，q越大，再生周期越长，再生剂用量及其费用越小。q通过吸附试验来确定。

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取倒数：(10－7)BET公式包括了朗谬尔公式：设，且C<<Cs，则BET公式可写成：令a=1/m，b=qo

……朗谬尔式

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2.2.2吸附速度

,单位:

吸附速度V决定了废水和吸附剂的接触时间，V越大，则接触时间越短，所需设备容积就越小，反之亦然。

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吸附过程一般分为3个阶段：

1.液膜扩散（颗粒外部扩散）阶段2.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表面上。吸附反应速度非常快，V主要取决于第I、II阶段速度，而颗粒外部扩散速度（液膜扩散）U=f(c、d、搅动)25

溶液浓度C↑，则U↑颗粒直径d↓，则U↑加强搅动，则U↑而颗粒内部扩散速度V=f（细孔大小与构造，吸附质的d）吸附剂颗粒直径d↓，V↑。d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性炭的吸附速度要快，接触时间短，设备容积小。

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2.2.3吸附的影响因素1.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、吸附剂是否是极性分子等。2.吸附质的性质：（1）溶解度：越低越容易吸附，具有较大的影响。（2）使液体表面自由能W降低得越多的吸附质则越容易被吸附。27

（3）极性：极性吸附剂易吸附极性的吸附质。

（物以类聚）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。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（5）吸附质的浓度较低时，提高C可增加吸附量。以后C↑，q增加很小，直至为一定值。

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3.废水的pH值活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液中吸附效果较好。4.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。5.温度：对于物理吸附，T高则不利，吸附量减少。6.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V，V大则所需时间短。292.3吸附操作方式2.3.1静态吸附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，这种吸附操作叫静态吸附。2.3.2动态吸附废水通过吸附剂自上向下流动而进行吸附。30

1.吸附设备（1）固定床：吸附剂在床中是固定的，废水自上而下流过吸附剂。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。（2）移动床：接近饱和的吸附剂从塔底间歇排出，每次卸出总填充量的（5~20）%，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。

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2.穿透曲线（1）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。（2）穿透曲线：以吸附时间或吸附柱出水总体积为横坐标，以出水吸附质浓度为纵坐标所绘制出的曲线叫穿透曲线。（3）穿透点：当出水吸附质浓度Ca为(0.05~0.10)Co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点。32

（4）吸附终点：出水浓度Cb为(0.90~0.95)Co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（耗竭点）。（5）吸附带长度δ：从ta到tb的△t时间内，吸附带所移动的距离叫吸附带长度δ（6）吸附带的移动速度V吸附带=δ/△t<<VL（2~10m/h）33

（7）无明显吸附带时，多柱串联试验绘制穿透曲线：将4~6根柱串联起来，见图10-1。填充层总高度为3~9m，在不同高度处设取样口，首先从第一个柱进水，依次通过第2、3、4柱。当第1柱出水C1=（0.9~0.95）Co时，停止向第1柱进水，将1柱从系统中脱离出来进行再生，将备用柱5接在系统柱4之后，此时原水通入第2柱，待第二柱出水浓度C2=（0.9~0.95）Co时，停止向第2柱进水，将第2柱从系统中脱离开进行再生，并将再生好的柱1接于柱5之后，此时原水通入第3柱。以此类推进行连续吸附操作。

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各柱的吸附量相等时的运行状态（面积A=面积B）视为达到了稳定运行状态。面积A为图10-1中第1条曲线与第2条曲线所包含的面积，面积B为第2条曲线与第3条曲线所包含的面积。35多柱串联吸附操作36

3.吸附容量的利用。当吸附柱出水浓度达到穿透时，但此时吸附柱内的吸附剂并未完全饱和，仍能吸附相当数量的吸附质，直至出水浓度等于Cb（吸附终点）为止。这部分吸附容量应该充分利用。也即是充分利用吸附带的吸附容量。

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（1）采用多床串联操作（图10-2）I—II—III串联运行；II—III—Ⅳ串联运行III—Ⅳ—I串联运行。

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（2）采用升流式移动床操作（图10-3）从底部排出的吸附剂都是接近饱和的，从而充分利用了吸附剂的吸附容量。3940流化床吸附原水由底部升流式通过床层，吸附剂由上部向下移动。由于吸附剂保持流化状态，与水的接触面积增大，因此设备小而生产能力大，基建费用低。

流化床操作控制要求高，为防止吸附剂全塔混层，以充分利用吸附容量并保证处理效果，塔内吸附剂采用分层流化。所需层数根据吸附剂的静活性、原水水质水量等决定。4142

2.3.3吸附剂的再生用某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的细孔中除去，以达到能重复使用的目的。1.加热再生法：由脱水、干燥、炭化，活化、冷却等5步组成2.药剂再生法：无机酸或NaOH，有机溶剂（苯、丙酮等）3.化学氧化法：电解氧化法，O3氧化法，湿式氧化法。4.生物法：利用微生物的作用，将被活性炭吸附的有机物加以氧化分解。4344种类处理温度主要条件加热再生加热脱附高温加热再生（炭化再生）100～200750～950℃（400～500℃）水蒸气、惰性气体水蒸气、燃烧气体、CO2药剂再生无机药剂有机药剂（萃取）常温～80℃常温～80℃HCl、H2SO4、NaOH、氧化剂有机溶剂（笨、丙酮、甲醇等）生物再生温式氧化分解电解氧化常温180～220℃、加压常温好气菌、厌气菌O2、空气、氧化剂O2表7-2吸附剂再生方法

452.4吸附塔的设计2.4.1博哈特——亚当斯计算法1.博哈特——亚当斯方程式（10-8）

式中：t——工作时间，h；V——线速度，即空塔速度，m/h；h——炭层高度，m；Co——进水吸附质浓度，kg/m3Ce——出水吸附质允许浓度，kg/m3K——速率系数，m3/（kg·h）；No——吸附容量，即达到饱和时吸附剂的吸附量（kg/m3）。

46

>>1，上式等号右边括号内的1可忽略不计，则工作时间t：

（10-9）

临界高度ho：当t=0时，保证出水吸附质浓度C不超过Ca（穿透浓度）时的吸附剂层的理论高度

（10-10）

ho即吸附带高度，ho↓吸附反应越快。47

2.模型试验——求临界高度ho

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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K—V、No—V、ho—V三条曲线。

49

50

3.吸附塔设计已知废水设计流量Q（m3/h），原水吸附质浓度Co，出水吸附质允许浓度Ce。（1）吸附工作时间t——吸附柱出水达到穿透点的时间，线速度

（m/h）查图得出K、No、ho

（小时）（10-11）

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（2）活性炭每年更换次数n（吸附剂再生次数）（次/a）（10-12）（3）活性炭年消耗量W（m3/a）（10-13）（4）吸附质年去除量G（kg/a）：，Co、Ce均以mg/L为单位(kg/a)（10-14）

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(5)吸附效率E（10-15）式中：No——达到饱和时吸附剂的吸附量，（kg/m3）h——炭层高度；ho——临界高度则：（10-16）

53例题某纺织厂在合成高聚合物后，洗涤水采用活性炭吸附处理。处理水量（Q）为150m3/h,原水平均CODCr为90mg/L,出水CODCr要求小于30mg/L.试根据下列设计参数计算活性炭吸附塔的基本尺寸。（1）该活性炭的吸附量q=0.12gCOD/g碳（2）废水在塔中的下降流速v2=6m/h（3）接触时间t=40min（4）碳层密度ρ=0.43t/m354

2.4.2通水倍数法按穿透时每kg吸附剂所通过的废水的体积（m3）计算。55设计吸附容量的通水倍数：单位重量的炭可处理的水量。若采用单柱吸附，则处理水量为Va，通水倍数为Va/M；若采用多柱串联，则每柱可处理水量增加到Vb，通水倍数为增加为Vb/M。到达吸附终点时，去除的溶质总量相当于穿透曲线与过C0点的水平线之间的面积，可用图解积分求出：

（11-29）56设计若为多柱串联，则串联级数为：

（11-30）（11-31）5758习题某石油化工厂拟采用活性炭吸附法对炼油废水进行处理。处理水量为Q=800m3/h,进水COD浓度为C0=100mg/L,要求出水的CODCr浓度为Ce=30mg/L.试根据下列数据计算吸附塔的主要工艺尺寸（采用间歇式固定床吸附塔）。（1）通水倍数w=6.0m3/kg（2）空塔速度v=10m/h（3）接触时间t=30min（4）碳层密度ρ=430kg/m3592.4.3吸附法在废水处理中的应用1.活性炭对有机物的吸附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——用吸附实验确定去除率。60

2.对无机物的吸附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。（1）染料化工废水处理。（2）铁路货车洗刷废水处理。（3）火药（TNT）化工废水处理。614、某工业废水拟用活性炭A和B吸附有机物（以BOD表示），经静态吸附实验获得如表3－1中的平衡数据，试求两种炭的吸附等温式，并选择活性炭的种类，说明选择的主要依据是什么？62表3－1吸附平衡数据（1L废水样中加入活性炭1g）废水初始浓度（mg/L）平衡浓度（mg/L）活性炭A平衡浓度（mg/L）活性炭B100.520.5201.21.05402.92.38011.15.916030.022.232080.160.263

5、活性炭吸附试验结果如下：（1）求弗罗德利希（Freundlich）吸附公式的K和n值。烧杯编号活性炭量（mg）平衡浓度（mg/L）（mg/mg）1075.0—25044.00.124310030.00