水質(zhì)工程學(xué)第6章吸附

1、吸附11.2.1 吸附及其類型 11.2.2 吸附等溫線 11.2.3 吸附速度 11.2.4 影響吸附的因素 11.2.5 常用吸附劑 11.2.6 吸附操作方式與設(shè)計(jì) 11.2.7 吸附劑的再生 11.2.8 吸附在水處理中的應(yīng)用 吸附及其類型一、吸附的定義 二、吸附的原因 三、吸附的種類 四、吸附的特征 吸附的定義 在相界面上，物質(zhì)的濃度自動(dòng)發(fā)生富集的現(xiàn)象稱為吸附，它可以發(fā)生在不同相界面上。廢水處理中，主要利用固體物質(zhì)對(duì)液相中污染物質(zhì)的吸附作用。吸附法(工藝)：利用多孔性的固體物質(zhì)，使廢水中一種或多種污染物吸附于固體表面而得到去除。吸附劑具有吸附能力的多孔性固體物質(zhì)。 吸附質(zhì)(廢水中)被

2、吸附的物質(zhì)。 吸附的原因由表面張力與表面能的變化引起，具體可參見物理化學(xué)中表面化學(xué)部分。 吸附的種類根據(jù)吸附力不同可分為：物理吸附：分子間力(范德華引力)吸附化學(xué)吸附：化學(xué)鍵力交換吸附：靜電引力吸附的實(shí)質(zhì)：表面現(xiàn)象，減小界面能的一種方式 物質(zhì)吸附于固體表面之后，減小表面張力，使界面上的分子受力趨于均衡，故是自動(dòng)發(fā)生的。 吸附的特征1、物理吸附吸附時(shí)表面能降低、放熱；可在低溫下進(jìn)行不需要活化能選擇性不強(qiáng)，吸引力隨分子量增大而增大，可以吸附多種吸附質(zhì)；易于解吸(吸附的逆過程)分子的熱運(yùn)動(dòng)；可形成單層或多層吸附。 吸附的特征2、化學(xué)吸附吸附熱大，需在高溫下進(jìn)行；具有選擇性；化學(xué)鍵力大時(shí)，吸附不可逆；

3、只能形成單分子吸附層。 吸附的特征3、交換吸附吸附質(zhì)的離子由于靜電引力聚集到吸附劑表面帶電點(diǎn)，同時(shí)吸附劑也放出等當(dāng)量離子。離子帶電荷多，吸附強(qiáng)；電荷相同，水化半徑小，吸附力強(qiáng)。 三種吸附作用往往相伴發(fā)生，水處理中的吸附大部分是綜合作用的結(jié)果。 吸附等溫線 由于吸附是一種表面化學(xué)過程，因此研究吸附可從兩方面進(jìn)行：化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速度。 吸附等溫線實(shí)際上表達(dá)了吸附達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的平衡濃度表達(dá)式。一、吸附平衡 二、吸附劑的吸附量 三、吸附等溫線 吸附平衡 吸附速度=解吸速度 如果吸附是可逆的，存在吸附和解吸兩個(gè)過程。當(dāng)吸附質(zhì)在吸附劑表面達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，吸附質(zhì)在溶液中的濃度和吸附劑表面的濃度都不再改

4、變，此時(shí)溶液中的吸附質(zhì)濃度稱為平衡濃度。 吸附劑的吸附量 吸附劑吸附能力的大小用吸附量表示：?jiǎn)挝恢亓康奈絼┪降奈劫|(zhì)的重量。吸附量q（g/g）按下式計(jì)算： MCCVq)(0（11-23）式中： V水的體積，L； C0原水中吸附質(zhì)濃度，g/L；C平衡水中的殘余吸附質(zhì)濃度，g/L； M活性炭投加量，g 吸附等溫線 溫度一定的條件下，V、C0一定時(shí)，改變投炭量，吸附的平衡濃度和吸附量均發(fā)生相應(yīng)改變。其規(guī)律如圖11-2-1所示。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上可得一近似直線（如圖11-2-2）。 表示吸附等溫線的方程為等溫吸附式，常用兩種1、Freundlich等溫吸附公式 2、Langmuir等溫吸附公式 Fre

5、undlich等溫吸附公式根據(jù)圖11-2-2可知： CnKqlglglg（11-24）nKCq （11-25）式中：K，n常數(shù)Freundlich等溫吸附公式是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式 Langmuir等溫吸附公式 根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說，通過一些假設(shè)而推導(dǎo)的單分子層吸附公式如下： aCabCq1(11-26)式中：a，b常數(shù) bCabq1111線性化：(11-27)如圖11-2-3所示 吸附速度 吸附速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位重量的吸附劑所吸附的物質(zhì)的量。水中多孔吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附過程分三個(gè)階段：顆粒外部擴(kuò)散(膜擴(kuò)散)階段吸附質(zhì)通過液膜內(nèi)部擴(kuò)散階段吸附質(zhì)向細(xì)孔深處擴(kuò)散吸附反應(yīng)階段吸附質(zhì)被吸附于細(xì)孔表面上第三階段一

6、般進(jìn)行很快，故吸附受前兩階段擴(kuò)散速度控制。 吸附速度 外部擴(kuò)散：與膜兩邊濃度和膜表面積(即吸附劑外表面積)成正比，與溶液攪動(dòng)程度有關(guān)。增加溶液與吸附劑的相對(duì)速度，可使液膜變薄，提高外擴(kuò)速度。內(nèi)部擴(kuò)散：比較復(fù)雜，與微孔大小、構(gòu)造、吸附質(zhì)顆粒大小、吸附劑顆粒大小有關(guān)。吸附劑顆粒小，對(duì)提高吸附速度有利。 影響吸附的因素一、吸附劑的性質(zhì) 二、吸附質(zhì)的性質(zhì) 三、pH值 四、溫度 五、接觸時(shí)間 六、生物協(xié)同作用 吸附劑的性質(zhì)1、孔的大小 活性炭是以含炭物質(zhì)經(jīng)高溫炭化和活化而成，活化時(shí)造成內(nèi)部孔隙十分發(fā)達(dá)。一般孔徑100埃為大孔?；钚蕴康奈搅恐饕晌⒖字洌蛭⒖椎谋砻娣e占總表面積的95%以上。 吸附劑的

7、性質(zhì)2、比表面積活性炭的比表面積一般5001700m2/g。炭的粒徑越小，或微孔越發(fā)達(dá)，則比表面積越大，吸附量就越大。3、炭的表面化學(xué)性質(zhì)活化時(shí)能使炭的表面產(chǎn)生微弱極性，有利于產(chǎn)生離子交換吸附或絡(luò)合反應(yīng)，提高處理效果。要求吸附容量大，速度快，機(jī)械強(qiáng)度好。 吸附質(zhì)的性質(zhì) 能使液體表面張力降低越多的吸附質(zhì)，越易被吸附；吸附質(zhì)濃度的影響可由吸附等溫線看出。吸附質(zhì)的溶解度、表面自由能、分子大小和不飽和程度、極性等均對(duì)吸附有影響。 pH值 溶液的pH值影響溶質(zhì)在水中的存在狀態(tài)(分子、離子、絡(luò)合物)和溶解度，也影響炭的表面電荷特性，活性炭在酸性溶液中吸附性能好，pH9時(shí)不易吸附。 溫度 吸附是放熱反應(yīng)，因

8、此溫度升高，吸附量減少。 接觸時(shí)間 受吸附速度影響，應(yīng)結(jié)合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面考慮。吸附時(shí)應(yīng)保證一定的接觸時(shí)間，以使吸附接近平衡。接觸時(shí)間為： vhQWt（11-28）式中：W炭層容積，m3；Q流量，m3/h； h炭層高度，m； v空塔過濾速度，m/h 生物協(xié)同作用 活性炭使用一定時(shí)間后，其表面會(huì)繁殖微生物，參與對(duì)有機(jī)物的去除。目前，有人利用生物活性炭處理低濃度有機(jī)廢水，取得了較好的效果。 有利參與有機(jī)物的分解、去除。 不利增加水頭損失，產(chǎn)生厭氧狀態(tài)。 常用吸附劑廣義上，一切固體表面都具有吸附作用。實(shí)際上，只有多孔物質(zhì)和尺度很小的物質(zhì)因?yàn)橛芯薮蟮谋砻娣e，才有明顯的吸附能力。廢水中處理中常用的吸附劑

9、：活性炭，磺化煤、活化煤、沸石、活性粘土、硅藻土、焦炭、木炭、木屑等，以活性炭應(yīng)用最廣。 常用吸附劑 活性炭：用含炭為主的原料(木材、煤)，經(jīng)高溫炭化和活化而制成的疏水性吸附劑， 外觀黑色、有粉狀和粒狀、棒狀等?；钚蕴烤Ц耖g有許多不同形狀和大小的細(xì)孔，吸附作用主要發(fā)生的細(xì)孔表面，比表面積5001700m2/g。吸附量與比表面積、細(xì)孔構(gòu)造和分布、表面化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。 吸附操作方式與設(shè)計(jì)一、操作方式 二、設(shè)計(jì) 操作方式 廢水進(jìn)行吸附前，應(yīng)先經(jīng)預(yù)處理去除懸浮物、油類等雜質(zhì)，避免堵塞吸附劑的孔隙。 吸附操作分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)操作方式。靜態(tài)為間歇式，很少用(小流量，間歇排放)；動(dòng)態(tài)操作為連續(xù)式，有固定床、移動(dòng)

10、床和流動(dòng)床三種。 操作方式1、固定床水連續(xù)進(jìn)入和流出，經(jīng)床層吸附雜質(zhì)可得到清潔的出水。為充分發(fā)揮炭床的最大吸附作用，常采用多塔串聯(lián)運(yùn)行。2、移動(dòng)床水由下部進(jìn)入上部排出，底層飽和的炭定期由下部排出，經(jīng)再生的炭由塔頂補(bǔ)充，可節(jié)省占地面積。3、流動(dòng)床（流化床） 利用進(jìn)水動(dòng)力使炭粒之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，呈流化態(tài)懸浮，利于炭水的充分接觸。 設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)步驟（1）根據(jù)靜態(tài)吸附試驗(yàn)得出不同炭的吸附的等溫線，從而選擇炭型，并按式11-23計(jì)算用炭量；（2）由動(dòng)態(tài)吸附柱試驗(yàn)確定設(shè)計(jì)參數(shù)炭柱形式、串聯(lián)級(jí)數(shù)、炭的使用周期、通水倍數(shù)(m3水/Kg炭)、最佳空塔速度；接觸時(shí)間、炭柱容量、用炭量、再生設(shè)備容量；每米炭層水頭損

11、失、反沖洗頻率、強(qiáng)度等。 設(shè)計(jì)2、動(dòng)態(tài)吸附柱的工作過程與計(jì)算 動(dòng)態(tài)吸附過程可用穿透曲線（圖11-2-4）來表示。以出水吸附質(zhì)濃度為縱坐標(biāo)，出水量(或出流時(shí)間)為橫坐標(biāo)作圖，可得到穿透曲線。 設(shè)計(jì) 當(dāng)廢水進(jìn)入炭柱后，首先由炭層上部發(fā)生吸附作用。隨著廢水的進(jìn)入，吸附區(qū)逐漸下移，當(dāng)出水中吸附質(zhì)濃度達(dá)到出水要求時(shí)，吸附達(dá)到終點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)對(duì)炭柱進(jìn)行再生。圖中炭層上部為飽和區(qū)，發(fā)生吸附的為吸附帶，下部為未吸附區(qū)。當(dāng)出水濃度達(dá)到允許的濃度Ca時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為穿透點(diǎn)a；出水濃度達(dá)到進(jìn)水濃度的9095%時(shí)表明吸附能力耗竭，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為吸附終點(diǎn)b。從a到b這段時(shí)間t內(nèi)，吸附帶所移動(dòng)的距離為吸附帶的長(zhǎng)度。 設(shè)計(jì)吸附容量的通

12、水倍數(shù)：?jiǎn)挝恢亓康奶靠商幚淼乃?。若采用單柱吸附，則處理水量為Va，通水倍數(shù)為Va/M；若采用多柱串聯(lián)，則每柱可處理水量增加到Vb，通水倍數(shù)為增加為Vb/M。到達(dá)吸附終點(diǎn)時(shí)，去除的溶質(zhì)總量相當(dāng)于穿透曲線與過C0點(diǎn)的水平線之間的面積，可用圖解積分求出： dVCCbV00）（去除的總量（11-29）設(shè)計(jì)若為多柱串聯(lián)，則串聯(lián)級(jí)數(shù)為： abVVn （11-30）通水倍數(shù)裝炭量QT（11-31）吸附劑的再生 在吸附劑本身結(jié)構(gòu)不發(fā)生或極少發(fā)生變化的情況下，將吸附質(zhì)從吸附劑表面去除，以便恢復(fù)吸附劑的吸附能力的過程稱為吸附劑的再生。再生方法有加熱再生法、蒸汽法、溶劑法、臭氧氧化法和生物法等。 吸附在水處理中的

13、應(yīng)用 給水處理：過濾之后，去除微量有害物質(zhì)的臭味，脫氯廢水處理：深度處理，微量污染物。去除難以生物降解或化學(xué)氧化的少量有害物質(zhì)，去色、殺蟲劑，洗滌劑及金屬離子。與其它水處理技術(shù)聯(lián)合使用：臭氧活性炭飲用水去除有機(jī)物，印染廢水脫色投炭活性污泥法(PACT)生物活性炭法膜分離法概述11.3.1 擴(kuò)散滲析法 11.3.2 電滲析 11.3.3 反滲透 11.3.4 超濾 概述 凡是使溶液中一種或幾種成分不能透過，而其它成分能透過的膜都叫著半透膜。膜分離法就是用一種特殊的半透膜將溶液隔開，使溶液中的某種溶質(zhì)或溶劑（水）滲透出來，從而達(dá)到分離溶質(zhì)的目的。半透膜最大的特點(diǎn)是選擇透過性。 概述 根據(jù)采用的膜的

14、種類不同和分離的推動(dòng)力不同，膜分離法可區(qū)別如下： 分離過程推動(dòng)力膜用途擴(kuò)散滲析濃度差滲析膜分離溶質(zhì)，回收酸、堿等電滲析電位差離子交換膜分離離子，用于回收酸、堿，苦咸水淡化反滲透壓力差反滲透膜分離小分子溶質(zhì)，用于海水淡化、去除無機(jī)離子或有機(jī)物超濾壓力差超過濾膜截留分子量大于500的大分子，去除粘土、植物質(zhì)、油漆、微生物等概述膜分離技術(shù)的共同優(yōu)點(diǎn)是：常溫下操作，不消耗熱能，無相變化，無相變能耗， 設(shè)備簡(jiǎn)單，易操作，無化學(xué)藥劑消耗，分離與濃縮同時(shí)進(jìn)行，有利回收；缺點(diǎn)是處理能力小，需消耗相當(dāng)?shù)哪芰?。膜析法的作用途徑?、依靠薄膜中孔道的大小分離不同尺度的分子或粒子；2、依靠薄膜的離子結(jié)構(gòu)分離性質(zhì)不同的

15、離子；3、依靠薄膜有選擇的透過性分離某些物質(zhì)。擴(kuò)散滲析法 利用滲析膜將濃度不同的溶液分開，溶質(zhì)即從濃度高的一側(cè)透過半透膜而擴(kuò)散到濃度低的一側(cè)，當(dāng)膜兩側(cè)的濃度達(dá)到平衡時(shí)，滲析過程停止。擴(kuò)散滲析主要用于酸、堿的回收，回收率可達(dá)7090%，但不能將它們濃縮。 例：擴(kuò)散滲析法從含H2SO4、FeSO4的廢水中回收酸（如圖11-3-1所示） 電滲析法一、原理在直流電場(chǎng)的作用下，利用離子交換膜對(duì)溶液中陰、陽離子的選擇透過性（陰膜只允許陰離子通過，陽膜只允許陽離子通過）而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的方法。 電滲析系統(tǒng)由一系列陰、陽膜置放于兩電極之間組成，如圖11-3-2。離子減少的隔室稱為淡室，出水為淡水；離子

16、增多的室稱為濃室，出水為濃水；與電極板接觸的隔室稱極室，出水為極水。 電滲析法影響電滲析的因素有濃差極化、結(jié)垢、腐蝕等。 濃差極化：由于電流強(qiáng)度過大，使膜附近與水流主體之間產(chǎn)生濃度差。由于水流主體內(nèi)的離子來不及補(bǔ)充到膜表面水層，因而膜表面水層發(fā)生電離，使陰膜濃室的Ph升高，產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，此即濃差極化。防止?jié)獠顦O化的方法有極限電流法、倒換電極法、定期酸洗法、增加水流主體紊動(dòng)程度等方法。 電滲析法二、應(yīng)用1、從酸洗廢液中回收酸和鐵（見圖11-3-3）2、從芒硝廢液中回收硫酸和氫氧化鈉（見圖11-3-4） 3、從鍍鎳廢液中回收鎳（見圖11-3-5） 反滲透一、滲透與反滲透1、滲透 一種膜只允許溶劑通

17、過而不允許溶質(zhì)通過，用這種膜將鹽和水、淡水或兩種濃度不同的溶液隔開，則可發(fā)現(xiàn)水將從淡水側(cè)或濃度低的一側(cè)通過膜自動(dòng)滲透到鹽水或濃度高的一側(cè)，直至達(dá)到平衡時(shí)為止，這種現(xiàn)象為滲透作用。滲透平衡時(shí)，溶液兩側(cè)液面的靜水壓差稱為滲透壓。（見圖11-3-6所示） 反滲透2、反滲透若在鹽水一側(cè)施加大于滲透壓的壓力，則鹽水中的水就會(huì)流向淡水側(cè)，此種現(xiàn)象稱為反滲透。二、反滲透膜常用的反滲透膜有兩種CA膜和中空纖維膜CA膜成膜材料為醋酸纖維素 中空纖維膜以醋酸纖維素、脂肪族聚酰胺和芳香族聚酰胺為材料制成。 反滲透三、反滲透膜板框式主要用于超濾管式用于超濾或反滲透螺卷式用于反滲透中空纖維膜用于超濾和反滲透四、作用 獲得淡水，濃縮原水，回收溶質(zhì) 超濾一、原理超濾又稱超過濾，用于