水污染治理技术-吸附

吸附一、吸附的概念

吸附法是利用多孔性固体物质，使废水中一种或多种物质被吸附在固体表面上，从而予以回收或去除的方法。具有吸附能力的多孔性固体物质称为吸附剂，废水中被吸附的物质称为吸附质。

吸附法的作用：脱色，脱臭，脱除水中难生物降解的或用一般氧化法难以氧化的溶解性有机污染物、脱除重金属和放射性元素等。（一）吸附原理与应用

根据固体表面吸附力的不同，吸附可分为三种类型：物理吸附、化学吸附和交换吸附。1）物理吸附：分子间的作用力所引起的。

·吸附热较小，可在低温下进行。

·过程是可逆的，易解吸

·相对没有选择性。分子量越大，吸附量越大。

·可形成单分子吸附层或多分子吸附层。2）化学吸附：由化学键力引起的――产生化学反应。如石灰吸附CO2→CaCO3·吸附热大，一般在较高温下进行。

·具有选择性，单分子层吸附

·化学键力大时，吸附不可逆。3）交换吸附：静电引力吸附质的离子→吸附剂表面的带电点上，同时吸附剂也放出一个等当量离子。

·离子电荷越多，吸附越强。

·离子水化半径越小，越易被吸附。影响交换吸附势的重要因素是离子电荷数和水合半径的大小。

实际过程中物理和化学吸附是主要的，往往相伴发生，且是综合作用，比较如下：

吸附性能物理吸附化学吸附作用力分子引力（范德华力）剩余化学键力选择性没有选择性有选择性吸附层单分子或多分子吸附层只能形成单分子吸附层吸附热较小，⋖41.9kj/mol较大，相当于化学反应热，83.7-418.7kj/mol吸附速度快，几乎不要活化能较慢，需要活化能温度放热过程，低温有利于吸附温度升高，吸附速度增加可逆性可逆，较易解析化学键大时，吸附不可逆（二）吸附平衡和吸附速度1．吸附平衡如果吸附过程是可逆的，当吸附速度和解吸速度相等时，达到动态的吸附平衡。吸附剂吸附能力的大小以吸附量q（g/g）表示

吸附量是指单位重量的吸附剂所吸附的吸附质的重量。吸附量可用下式计算：

q=V（Co-C）/W2.吸附速度

定义：单位重量的吸附剂在单位时间内所吸附的物质的量。

吸附速度决定了废水和吸附剂的接触时间。吸附速度快⇁接触时间短⇁吸附设备的容积小。

影响吸附速度的因素有：

1.吸附质在吸附剂表面液相界膜内的迁移速度（膜扩散）

2.吸附质在吸附剂颗粒空隙内的扩散速度（内部扩散）

3.吸附质在吸附剂内表面吸附位置上的吸附反应速度。

吸附速度主要受液膜扩散速度和内部扩散速度控制。在开始阶段往往由液膜扩散速度起作用，而在终了阶段则由颗粒的内部扩散起决定作用。3．吸附等温式

吸附分等温吸附和等压吸附。在温度一定的条件下，吸附量随吸附质平衡浓度的提高而增加。描述吸附容量与平衡浓度之间关系的数学表达式称为吸附等温式。

常用的吸附等温式是Freundlich经验公式：

q=KC1/n

㏒q=㏒K+1/n㏒C

根据平衡吸附试验数据，以㏒C和㏒q作为横坐标和纵坐标，便得到一条直线，称为Freundlich等温线，这条直线的截距为㏒K，斜率为1/n。由此可求出常数n和K值。

1/n越小，吸附性能越好。一般认为1/n=0.1–0.5时容易吸附;1/n大于2时难于吸附。3.吸附等温式郎格谬尔（Langmuir）吸附等温式基本假设为吸附剂表面均匀，各处吸附能力相同；吸附是单分子层吸附，其吸附量达到最大值；吸附分子之间没有作用力；一定条件下，吸附与脱附可达到动态平衡。根据动力学方法可以推导出郎格谬尔吸附等温式为

根据实验情况，按上式以[1/q]对[1/c]作图，能得到一条直线，便可求出a、b的值。BET吸附等温式表示吸附剂上有多层溶质分子被吸附的吸附模式，各层的吸附符合朗格谬尔单分子吸附公式。3.吸附等温式从上式可看出，与呈直线关系，利用这个关系可求q0、B值。（三）吸附的应用主要用来去除污水中的微量污染物，达到深度净化的目的。从高浓度的废水中吸附某些物质达到资源回收和治理的目的，如废水中少量重金属离子的去除、有害的生物难降解有机物的去除、脱色除臭等。还可利用炉渣、粉煤灰等物质作吸附剂，作为某些工业废水的预处理，是以废治废的途径。如粉煤灰吸附作用对采油废水中石油类和CODCr的去除率分别为80%和20%。在处理流程上，吸附法可与其他物理化学法联合，组成所谓物化流程。如先用混凝沉淀过滤等去除悬浮物和胶体，然后用吸附法去除溶解性有机物。吸附法也可与生化法联合，如向曝气池投加粉状活性炭，利用粒状吸附剂作为微生物的生长载体或作为生物流化床的介质；或在生物处理之后进行吸附深度处理等。（四）吸附的影响因素

影响吸附的因素主要有吸附剂的性质、吸附质的性质和吸附过程的运行参数等。

1）内因因素有：

A、吸附剂的性质：种类；比表面积；表面能；表面化学特性；孔隙尺寸等。

B、吸附质的性质：溶解度；极性；分子量；溶质浓度；空间结构等。2）外因因素有；

A、环境条件：pH值；温度；共存物质；压力；协同作用。

B、运行条件：运行方法；接触时间；水力条件等。1．吸附剂的种类

工业吸附剂必须满足下列要求：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来源广；⑧价廉。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。目前在废水处理中应用的吸附剂有:活性炭、活化煤、白土、硅藻土、活性氧化铝，焦炭、树脂吸附剂、炉渣、木屑、煤灰、腐殖酸等。1）活性炭

应用较为广泛的是活性炭、树脂吸附剂和腐殖酸类吸附剂。

A)活性炭的形状

活性炭有粉末状和颗粒状。常使用颗粒状。纤维活性炭是一种新型高效的吸附材料，吸附性能远远超过目前的普通活性炭。

B)活性炭的一般性质

①具有良好的吸附性能和化学稳定性；

②可耐酸碱；

③能经受水浸、高温、高压作用；

④不易破碎，气流阻力小；

⑤粉状活性炭制造容易、成本低，但不易再生；粒状活性炭成本较高，但操作管理和再生容易。C)细孔构造和细孔分布

活性炭有许多形状和大小不同的细孔。活性炭的微孔表面积占总面积的95%以上，微孔对吸附量的影响最大。

D)活性炭水处理的特点对难去除的有机污染物，有较好的去除效果。对水质、水温及水量的变化有较强的适应能力。对重金属化合物也有较强的吸附能力。饱和炭再生后重复使用，不产生二次污染。可回收有用物质。

2)树脂吸附剂

树脂吸附剂也叫做吸附树脂,是一种新型有机吸附剂。具有立体网状结构，呈多孔海绵状。加热不熔化，可在150℃下使用，不溶于一般溶剂及酸、碱，比表面积可达800m2/g。常见产品有美国AmberliteXAD系列，日本HP系列。国内一些单位也研制了性能优良的大孔吸附树脂。树脂吸附剂的结构容易人为控制，因而它具有适应性大、应用范围广、吸附选择性特殊、稳定性高等优点，并且再生简单，多数为溶剂再生。树脂吸附剂最适宜于吸附处理废水中微溶于水．极易溶于甲醇、丙酮等有机溶剂，分子量略大和是极性的有机物。如脱酚、除油、脱色等。树脂的吸附能力一般随吸附质亲油性的增强而增大。3)腐植酸系吸附剂

腐植酸类物质可用于处理工业废水，尤其是重金属废水及放射性废水，除去其中的离子。一般认为腐植酸是一组芳香结构的、性质相似的酸性物质的复合混合物，腐植酸对阳离子的吸附，既有化学吸附，又有物理吸附。用作吸附剂的腐植酸类物质有两大类，一类是天然的富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐煤等，直接作吸附剂用或经简单处理后作吸附剂用。另一类是把富含腐植酸的物质用适当的粘结剂作成腐植酸系树脂，造粒成型，以使用于管式或塔式吸附装置。腐植酸类物质吸附重金属离子后，容易脱附再生，常用的再生剂H2SO4、HCl、NaCl、CaCl2等。

2．吸附剂的性质吸附剂的颗粒越小，比表面积越大，吸附量就越大。一般极性分子型的吸附剂易吸附极性分子型的吸附质，反之亦然。3．吸附质的性质溶解度越小的吸附质越容易被吸附；吸附质的分子体积越大，吸附效率也就越大；吸附质的浓度增高，吸附量增大。

4．吸附过程的运行参数

主要包括pH值、共存物质、温度、接触时间等（1）pH值

活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液中有较高的吸附率。通过实验确定最佳PH值范围。（2）共存物质

一般共存多种吸附质时，吸附剂对某种吸附质的吸附能力比只含该种吸附质时的吸附能力差。（3）温度

物理吸附是放热过程，所以低温有利于吸附。（4）接触时间二活性炭吸附工艺与设备（一）吸附操作方式吸附操作分为静态吸附和动态吸附两种。

1.静态吸附

指在水不流动的情况下进行的吸附操作。

操作工艺过程：把一定数量的吸附剂投入待处理的水中，不断进行搅拌，经过一定时间达到吸附平衡时，以静置沉淀或过滤的方法实现固液分离。

静态吸附常用于小水量处理或试验研究。常用的处理设备有水池和反应槽等2．动态吸附

指在水流动的情况下进行的吸附操作。操作工艺过程：污水不断地流过装填有吸附剂的吸附床，污水中的污染物和吸附剂接触并被吸附。

常用工艺有固定床、移动床和流化床。（1）固定床

固定床是指在操作过程中吸附剂固定填放在吸附设备中。根据水流方向不同，固定床又分为升流式和降流式两种形式。固定床又可分为单床和多床，多床又有串联式和并联式两种。降流式固定床吸附塔（2）移动床

移动床是指在操作过程中定期将接近饱和的吸附剂从吸附设备中排出，并同时加入等量的吸附剂，也称为脉冲床。移动床一次卸出的炭量一般为总填充量的5～20%。在卸料的同时投加等量的再生炭或新炭。移动床进水的悬浮物浓度不大于30mg/L。较大规模的废水处理多采用这种形式。

（3）流化床

流化床是指在操作过程中吸附剂悬浮于由下而上的水流中，处于膨胀状态或流化状态。一般连续卸炭和投炭，要求上下不混层，保持炭层成层状向下移动，所以运行操作要求严格。适于处理含悬浮物较多的废水，不需要进行反冲。（二）活性炭的再生

活性炭的再生方法有加热再生法、药剂再生法、氧化再生法。1．加热再生法：分低温和高温两种方法。（1）低温法适于吸附浓度较高的简单低分子量的碳氢化合物和芳香族有机物的活性炭的再生。由于沸点较低，一般加热到200℃即可脱附。一般采用水蒸气再生。2）高温法适用于水处理粒状炭的再生，高温加热再生过程一般分5步进行：脱水、干燥、炭化、活化、冷却处理。

2．药剂再生法

药剂再生法分无机药剂再生法和有机溶剂再生法两类。（1）无机药剂再生法：采用碱（NaOH）或无机酸等无机药剂。（2）有机溶剂再生法：用苯、丙酮及甲醇等有机溶剂，萃取吸附在活性炭上的有机物。药剂再生设备和操作管理简单，可在吸附塔内进行。但药剂再生，一般随再生次数的增加，吸附性能明显降低，需要补充新炭，废弃一部分饱和炭。（1）湿式氧化法饱和炭用高压泵经换热器和水蒸气加热后送入氧化反应塔。在塔内被活性炭吸附的有机物与空气中的氧反应，进行氧化分解，使活性炭得到再生。再生后的炭经热交换器冷却后，送入再生炭储槽。在反应器底积集的无机物（灰分）定期排出。（2）电解氧化法用饱和炭作阳极，对水进行电解，在活性炭表面产生的氧气把吸附质氧化分解。（3）臭氧氧化法利用强氧化剂臭氧，将吸附在活性炭上的有机物加以分解3．化学氧化再生法

利用微生物的作用，将被活性炭吸附的有机物氧化分解。在再生周期较长、处理水量不大的情况下，可以将炭床内的活性炭一次性卸出，然后放置在固定的容器内进行生物再生，待一段时间后活性炭内吸附的有机物基本上被氧化分解，炭的吸附性能基本恢复时即可重新使用。另外，也可以在活性炭吸附处理过程中，同时向炭