1、吸 附第五章 吸 附 5.1 吸附的类型 5.1.1 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。 5.1.2 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，吸附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。 5.1.3 吸附剂主要有活性炭、磺化煤、沸石、硅藻土
2、、焦炭、木炭等。1、活性炭的制造 木材、煤、果壳隔绝空气800900高温炭化, 炭渣,活化, 活性炭 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24mm 棒状活性炭：50mm，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：5001700m2/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，0.150.90mL/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：2100nm，0.020.10mL/g，占比表面积2，则难吸附。1/n较大则采用连续吸附，反之
3、采用间歇吸附。 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。 5.2.2 吸附速度 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。 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) 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
4、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。 5.2.3 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。 （3）极性：极性吸附剂易吸附极性的吸附质。 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。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
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。 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更好。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。5.3 吸附操作方式5.3.1 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。5.3.2动态吸附 废水通过吸附剂自上向下流动而进行吸附。 1.吸附设备（1）固定床：吸附剂在床中是固定的，废水自上
6、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（520）%，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。 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(0.050.10)Co时所对应的出水总体积或吸附时间的穿透曲线上的
7、那一点叫穿透点。 （4）吸附终点：出水浓度Cb为(0.900.95)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：从ta到tb的t时间内，吸附带所移动的距离叫吸附带长度（6）吸附带的移动速度V吸附带=/ t （210m/h）（7）无明显吸附带时，多柱串联试验绘制穿透曲线：将46根柱串联起来，见图10-1。填充层总高度为39m，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=（0.90.95）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
8、.90.95）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。 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。 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。 （1）采用多床串联操作 （2）采用升流式移动床操作 从底部排出的吸
9、附剂都是接近饱和的，从而充分利用了吸附剂的吸附容量。5.3.3 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。5.4 吸附塔设计1.博哈特亚当斯方程式 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/m3 Ce出水吸附质允许浓度，kg/m3 K速率系数，m3/（kgh）；N
10、o吸附容量，即达到饱和时吸附剂的吸附量（kg/m3）。 KN0/V 1，上式等号右边括号内的1可忽略不计，则工作时间t： 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 ho即吸附带高度，ho吸附反应越快。 2.模型试验求临界高度ho ； ； ； 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。 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 V=4Q/D2 (m/h）由V查图得出K、No、
11、ho （2）活性炭每年更换次数n（吸附剂再生次数） n= 365*24/t（次/a）（3）活性炭年消耗量W W=nD2h/4（m3/a） （4）吸附质年去除量G（kg/a）： G=nQt(C0-Ce)/1000 (kg/a)，Co、Ce均以mg/L为单位(5)吸附效率E E=G/G0G0=N0D2hn/4 E=(h-h0)/h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 5.4.2 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。5.4.3 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
12、机物用吸附实验确定去除率。 活性炭吸附的优点：（1）处理程度高，用于城市污水的深度处理，BOD5=99%；出水TOC=13mg/L。（2）应用范围广，对绝大多数有机物都有效（3）适应性强，对水量和有机物负荷的变动具有较强的适应性。（4）粒状炭可再生重复使用。（5）可回收有用物质。（6）设备紧凑、管理方便。（7）不仅具有吸附作用，而且还有生物降解作用。 2. 对无机物的吸附 活性炭对金属具有很强的吸附能力。3. 活性炭的应用 臭和味的去除, 给水中用于去除气味时一般投加粉状活性炭, 投加量在 2-20 mg / L 有机物去除 消毒副产物去除4. 废水吸附法处理实例。（1）染料化工废水处理。（2
13、）铁路货车洗刷废水处理。（3）火药（TNT）化工废水处理。思考题1、活性炭等温吸附试验的结果可以说明哪些问题？2、活性炭柱的接触时间和泄漏时间指什么，两者有什么关系？3、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？4、什么叫生物活性炭法，有什么特点？5、什么物质易为活性炭吸附？什么物质难于被吸附？习 题1、在做静态吸附实验时，当吸附剂与吸附质达到吸附平衡时（此时吸附剂未饱和），再往废水中投加吸附质，请问吸附平衡是否被打破？吸附剂吸附是否有变化？2、何谓吸附等温线？常见的吸附等温线有哪几种类型？吸附等温式有哪几种形式及应用场合如何？3、何谓吸附带与穿透曲线？吸附带的吸附容量如何利用？4、如何绘制动态吸附的穿透曲线？它能为设计提供什么资料？ 5、活性炭吸附试验结果如下：（1）试求浓度为3mg/L时的值（2）求弗罗德利希（Freundlich）吸附公式的K和n值。
