13.3吸附吸附現(xiàn)象

A 冰箱除異味B 變色硅膠一、吸附概述1吸附法功能與特點(diǎn)功能

去除水中溶解態(tài)微量污染物。有機(jī)物膠體粒子重金屬離子放射性元素其他（微生物、余氯、臭味、色度）

一、吸附概述1吸附法功能與特點(diǎn)特點(diǎn)深度處理可回收有用物料進(jìn)水預(yù)處理要求高運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用貴一、吸附概述一、吸附概述吸附物理吸附化學(xué)吸附吸附劑與吸附物質(zhì)之間是通過分子間引力(即范徳華力)而產(chǎn)生的吸附吸附劑與被吸附物質(zhì)之間產(chǎn)生化學(xué)作用，生成化學(xué)鍵引起吸附2.1吸附機(jī)理及分類

物理吸附

分子間力(范德華力)引起沒有選擇性放熱較小，約42kJ／mol或更少多分子層吸附吸附劑的比表面積和細(xì)孔分布影響大一、吸附概述2.1吸附機(jī)理及分類

化學(xué)吸附化學(xué)反應(yīng)，形成牢固的化學(xué)鍵放熱量較大，約84—420kJ／mol有選擇性單分子層吸附表面化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)影響大一、吸附概述二、吸附劑吸附劑是決定高效能的吸附處理過程的關(guān)鍵因素，廣義而言，一切固體都具有吸附能力，但是只有多孔物質(zhì)或磨得極細(xì)的物質(zhì)，由于其具有很大的表面積，才能作為吸劑。

1.工業(yè)吸附劑必須滿足的要求

(1)吸附能力強(qiáng)；(2)吸附選擇性好；(3)吸附平衡濃度低；(4)容易再生和再利用；(5)機(jī)械強(qiáng)度好；(6)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；(7)來源廣；(8)價(jià)廉。二、吸附劑二、吸附劑

二、吸附劑

二、吸附劑

二、吸附劑

二、吸附劑

三、吸附平衡與吸附等溫式吸附過程中，固、液兩相經(jīng)過充分接觸后，最后將達(dá)到吸附與脫附的動(dòng)態(tài)平衡。達(dá)到平衡時(shí)，單位吸附劑所吸附的物質(zhì)的數(shù)量稱為平衡吸附量，常用qe(mg/g)表示。

平衡吸附量計(jì)算公式：

式中：V－溶液體積，L；c0、ce－分別為溶質(zhì)的初始和平衡濃度，mg/L；x－吸附劑吸附的溶質(zhì)總量，mgm－投加吸附劑總量，g。三、吸附平衡與吸附等溫式2.2吸附平衡與吸附等溫式2、Langmuir吸附等溫式

理論假設(shè)：吸附劑表面均一吸附是單分子層的

三、吸附平衡與吸附等溫式2.Langmuir吸附等溫式：其中：Ce－被吸附物質(zhì)的平衡濃度，mg/L;qe－單位吸附劑所吸附的物質(zhì)的量，即平衡吸附量，mg/g;Q0－吸附劑的最大吸附量,mg/g;b－Langmuir常數(shù),L/mg。二、吸附平衡與吸附等溫式2.2吸附平衡與吸附等溫式3.B.E.T吸附等溫式

假定發(fā)生多分子層吸附。在原先被吸附的分子上面仍可吸附另外的分子，而且不一定等第一層吸滿后再吸附第二層。第一層吸附是靠吸附劑與吸附質(zhì)間的分子引力，而第二層以后是靠吸附質(zhì)分子間的引力?？偽搅康扔诟鲗游搅恐汀?/p>

一般認(rèn)為，1/n值介于0.1～0.5，則易于吸附，1/n>2時(shí)難以吸附。利用K和1/n兩個(gè)常數(shù)，可以比較不同吸附劑的特性。適用于中等濃度的溶液三、吸附平衡與吸附等溫式2.2吸附平衡與吸附等溫式3.B.E.T吸附等溫式

式中a，B——常數(shù)；Cs——吸附質(zhì)飽和濃度，mg/LCe——平衡濃度，mg/L。三、影響吸附的因素衡量指標(biāo)吸附能力吸附速度固體吸附劑用吸附量衡量單位質(zhì)量吸附劑在單位時(shí)間內(nèi)所吸附的物質(zhì)量吸附階段顆粒外部擴(kuò)散階段孔隙擴(kuò)散階段吸附反應(yīng)階段吸附質(zhì)從溶液中擴(kuò)散到吸附劑表面吸附質(zhì)在吸附劑孔隙中繼續(xù)向吸附點(diǎn)擴(kuò)散吸附質(zhì)被吸附在吸附劑孔隙內(nèi)的吸附點(diǎn)表面吸附速度主要取決于外部擴(kuò)散速度和孔隙擴(kuò)散速度。外部擴(kuò)散速度與溶液濃度成正比與吸附劑的比表面積的大小成正比吸附劑顆粒直徑越小，速度越快增加溶液與顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，可提高速度孔隙擴(kuò)散速度吸附劑顆粒越小，速度越快三、影響吸附的因素1.吸附劑的性質(zhì)：吸附劑的物理化學(xué)性質(zhì)和吸附質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)吸附有很大影響。

極性分子(或離子)型的吸附劑容易吸附極性分子(或離子)型的吸附質(zhì)。

非極性分子型的吸附劑容易吸附非極性的吸附質(zhì)。三、影響吸附的因素2.吸附質(zhì)的性質(zhì)(1)溶解度(2)表面自由能(3)極性(4)吸附質(zhì)分子的大小和不飽和度(5)吸附質(zhì)的濃度3.廢水的pH4.共存物質(zhì)5.溫度6.接觸時(shí)間四、吸附工藝和設(shè)備操作方式動(dòng)態(tài)靜態(tài)將廢水和吸附劑放在吸附池內(nèi)進(jìn)行攪拌30min左右，然后靜置沉淀，排除澄清液固定床移動(dòng)床流化床吸附劑固定填放在吸附柱(或塔)中在操作過程中定期地將接近飽和的一部分吸附劑從吸附柱中排出，并同時(shí)將等量的新鮮吸附劑加入柱中吸附劑在吸附柱內(nèi)處于膨脹狀態(tài)，懸浮于由下而上的水流中吸附的應(yīng)用降流式固定吸附塔構(gòu)造示意圖(a)(b)(c)固定床吸附操作示意圖單床式多床串聯(lián)式多床并聯(lián)式活性炭吸附工藝和設(shè)備1.活性炭

活性炭的再生

再生是在吸附劑本身的結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生變化的情況下，用某種方法將吸附質(zhì)從吸附劑微孔中除去,恢復(fù)它的吸附能力。再生方法加熱再生法在高溫條件下，提高了吸附質(zhì)分子的能量，使其易于從活性炭的活性點(diǎn)脫離；而吸附的有機(jī)物則在高溫下氧化和分解，成為氣態(tài)逸出或斷裂成低分子化學(xué)再生法生物法藥劑再生法活性炭再生方法比較用加熱再生法處理活性炭時(shí)，炭的損失率高，而且再生成本也較高，而藥劑再生法處理成本高并易造成二次污染，因此化學(xué)再生法(如濕式氧化再生法、臭氧再生法)、生物再生法是今后活性炭再生方法的發(fā)展方向。六、吸附法在污水處理中的應(yīng)用1.吸附法除汞

活性炭有吸附汞和汞化合物的性能，但因其吸附能力有限，只適宜于處理含汞量低的廢水。吸附法除汞流程第二節(jié)離子交換法概述一、離子交換法

離子交換劑上的離子和水中的離子進(jìn)行交換的一種特殊吸附現(xiàn)象。與其它吸附過程相比：主要吸附水中離子態(tài)物質(zhì)；交換劑上的離子和水中離子進(jìn)行“等當(dāng)量”的交換。概述二、發(fā)展1805年英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了土壤中Ca2+和NH4+的交換現(xiàn)象；1876年Lemberg

揭示了離子交換的可逆性和化學(xué)計(jì)量關(guān)系；1935年人工合成了離子交換樹脂；1940年應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)；1951年我國開始合成樹脂。概述(一)給水處理

硬水軟化、脫鹽。純水、高純水的制備。(二)廢水處理

廢水中金屬離子：Zn2+、Cu2+、Cr6+、Cr3+

(三)工業(yè)生產(chǎn)

產(chǎn)品的提純

三、應(yīng)用概述

1去除率高，凈化效果好；2可做到污染物的回收利用；3對(duì)廢水的預(yù)處理要求較高；4樹脂再生液需要進(jìn)一步處置。四、特點(diǎn)離子交換樹脂

固體球形顆粒，多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；不溶于水；具有離子交換特性的有機(jī)高分子聚電解質(zhì)。

(一)組成

離子交換樹脂母體(骨架)活性基團(tuán)固定離子可交換離子苯乙烯(單體)+二乙烯苯(交聯(lián)劑)母體共聚H2SO4功能基反應(yīng)R—SO3H固定離子可交換離子母體離子交換樹脂

(二)樹脂分類按選擇性按活動(dòng)離子離子交換樹脂H型OH型Na型離子交換樹脂陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂弱堿性陰離子交換樹脂R—NH3OH強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂RNOH弱酸性陽離子交換樹脂R—COOH強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂R—SO3HCl型離子交換樹脂

(二)樹脂分類按結(jié)構(gòu)離子交換樹脂凝膠型等孔型孔大、均勻，抗有機(jī)污染能力強(qiáng)。孔大，溶脹度小，交換速度高，抗污染能力強(qiáng)。孔隙小、少，溶脹度較大，水溶脹后呈凝膠狀。大孔型離子交換樹脂

(二)樹脂分類按交聯(lián)度離子交換樹脂低交聯(lián)度高交聯(lián)度12%-20%7%-8%2%-4%一般交聯(lián)度交聯(lián)度越高，孔隙度越低，密度越大，對(duì)半徑較大的離子和水合離子擴(kuò)散速度越低，交換量越小。在水中浸泡，形變小，較穩(wěn)定。樹脂的特性離子交換樹脂

(一)外觀形狀：透明或半透明的球狀珠體。顏色：白、淺黃、赤褐色。(二)含水率

樹脂孔隙內(nèi)所含的水分，一般在40%～69%。與樹脂的膠聯(lián)度有關(guān)，交聯(lián)度低，空隙率高，含水率高。

(三)溶脹性

吸水后體積增大的現(xiàn)象。溶脹程度用溶脹率表示：溶脹的原因

水?dāng)U散到樹脂交聯(lián)網(wǎng)孔發(fā)生溶脹；活性基團(tuán)離解形成水合離子。影響因素樹脂交聯(lián)度：交聯(lián)度越大，溶脹率越低。活性基團(tuán)：離解程度越大，溶脹率越大；可交換離子：水合半徑越大，溶脹率越高。離子交換樹脂離子交換樹脂

(四)交換容量

單位體積濕樹脂(容量表示法)或單位重量干樹脂(重量表示法)可發(fā)生交換的活性基團(tuán)數(shù)量。

容量表示法EV：mmol/ml、mol/l。

重量表示法EW

：mmol/g、mol/kg。EV=EW×[濕比重×(1-含水率)]

全交換容量：單位體積或重量樹脂中含可交換基團(tuán)的總數(shù)。平衡交換容量：在一定的外界溶液條件下，交換反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，交換樹脂所能交換的離子數(shù)量。工作交換容量：在動(dòng)態(tài)工作條件下，當(dāng)出水水質(zhì)達(dá)到交換終點(diǎn)時(shí)，樹脂層達(dá)到的平均交換容量。

實(shí)質(zhì)：不溶性離子化合物(離子交換劑)上的可交換離子與溶液中的其他同性離子的交換反應(yīng)，是一種特殊的吸附過程，通常是可逆化學(xué)吸附。

離子交換是可逆反應(yīng)，其反應(yīng)式可表達(dá)為：交換樹脂交換離子飽和樹脂

在平衡狀態(tài)下，樹脂中及溶液中的反應(yīng)物濃度符合下列關(guān)系式：

K值的大小能定量地反映離子交換劑對(duì)某兩個(gè)固定離子交換選擇性的大小。離子交換原理樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架離子交換的過程：R-SO3H+Na+→R-SO3Na+H

+R-N(CH3)3Cl+OH-→R-N(CH3)3OH+Cl-

影響離子交換的選擇性離子在離子交換樹脂上的交換能力與離子的水合離子半徑、電荷及離子的極化程度有關(guān)。水合離子半徑↓，電荷↑，離子的極化程度↑，親和力↑。

1在常溫、稀溶液中離子價(jià)數(shù)越高，與固定離子的靜電引力越大，越優(yōu)先交換。

Cr3+＞Ca2+＞Na+PO43+＞SO42-＞Cl-

同價(jià)離子原子序數(shù)越大，與固定離子的靜電引力越大（Ca,Mg）；稀土元素相反。

離子交換原理影響離子交換的選擇性2在高濃度的溶液中

由于離子的水化作用不充分，水合離子的半徑接近離子半徑，原子序數(shù)越大，離子半徑增大，離子表面電荷密度相對(duì)減小，與固定離子的靜電引力越小。離子交換原理陽離子交換樹脂1）強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂：Li+＜H+＜Na+＜NH4+＜K+＜Rb+＜Cs+＜Ag+＜＜Mg2+＜Ca2+＜Zn2+＜Co2+＜Cu2+＜Cd2+＜Ni2+＜Sr2+＜Pb2+＜Ba2+＜Al3+＜Fe3+2）弱酸性陽離子交換樹脂，H＋的親合力大于陽離子，陽離子親合力與強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂類似。離子交換原理陰離子交換樹脂1）強(qiáng)堿型陰離子交換樹脂F(xiàn)-<OH-<CH3COO-<HCOO-<Cl-<NO2-<CN-<Br-<C2O42-<NO3-<

HSO4-<I-<CrO42-<SO42-<Cr2O72-

2）弱堿型陰離子交換樹脂F(xiàn)-＜Cl-＜Br＜I-＜CH3COO-＜MoO42-＜PO43-＜AsO43-＜NO3-＜酒石酸根＜CrO42-＜SO42-＜Cr2O72-＜OH-離子交換原理

3樹脂的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

樹脂的交聯(lián)度：交聯(lián)度越高，選擇性增加強(qiáng)酸(堿)、弱酸堿樹脂的交換

4溶液的溫度和pH溫度升高，K值增大，離子和固定基團(tuán)交換勢增大。pH值：影響某些離子的存在狀態(tài)，

Cr2O72-+OH-=2CrO42-+H+

影響弱酸、堿樹脂固定基團(tuán)的電離。離子交換原理離子交換樹脂的選擇、保存、使用樹脂選擇樹脂保存樹脂使用（1）樹脂選擇離子交換法主要用于除去水中可溶性鹽類。選擇樹脂時(shí)應(yīng)綜合考慮原水水質(zhì)、處理要求、交換工藝以及投資和運(yùn)行費(fèi)用等因素。當(dāng)分離無機(jī)陽離子或有機(jī)堿性物質(zhì)時(shí)，宜選用陽樹脂；分離無機(jī)陰離子或有機(jī)酸時(shí)，宜采用陰樹脂。對(duì)氨基酸等兩性物質(zhì)的分離，既可用陽樹脂，也可用陰樹脂。（1）樹脂選擇對(duì)某些貴金屬和有毒金屬離子（如Hg2＋）可選擇螯合樹脂交換回收。對(duì)有機(jī)物（如酚），宜用低交聯(lián)度的大孔樹脂處理。絕大多數(shù)脫鹽系統(tǒng)都采用強(qiáng)型樹脂。（2）樹脂保存樹脂宜0～40℃下存放，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃，或發(fā)現(xiàn)樹脂脫水后，應(yīng)向包裝袋內(nèi)加入飽和食鹽水浸泡。對(duì)長時(shí)期停運(yùn)而閑置在交換器中的樹脂應(yīng)定期換水。通常強(qiáng)型樹脂以鹽型保存，弱酸樹脂以氫型保存。弱堿樹脂以游離胺型保存，性能最穩(wěn)定。（3）樹脂使用樹脂在使用前應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，以去除雜質(zhì)。最好分別用水、5％HCl、2％～4％NaOH反復(fù)浸泡清洗兩次，每次4～8h。離子交換工藝及設(shè)備二、動(dòng)態(tài)交換

(一)裝置類型

固定床系統(tǒng)單床、復(fù)床、混合床移動(dòng)床和流動(dòng)床一、離子交換操作方式靜態(tài)交換

動(dòng)態(tài)交換第四節(jié)離子交換工藝及設(shè)備(二)工藝流程及操作過程工藝流程運(yùn)行過程廢水預(yù)處理交換離子排放去除影響交換的雜質(zhì):懸浮物、油類、膠體吸附、過濾去除陽離子、陰離子反洗再生交換正洗1.交換

開啟進(jìn)水閥1和出水閥2，其余閥門關(guān)閉。2.反洗

目的在于松動(dòng)樹脂層，以便下一步再生時(shí)，注入的再生液能分布均勻，同時(shí)也及時(shí)地清除積存在樹脂層內(nèi)的雜質(zhì)、碎粒和氣泡。

先關(guān)閉閥門1和2，打開反洗閥3，然后再逐漸開大排水閥4進(jìn)行反洗。3.再生

先關(guān)閉閥門3和4，打開排氣閥7及排水閥5，將水放到離樹脂層表面10cm左右，再關(guān)閉閥門5，開啟進(jìn)再生液閥門8，排出交換器內(nèi)空氣后，即關(guān)閉閥門7，再適當(dāng)開啟閥門5，進(jìn)行再生。4.清洗

先關(guān)閉閥門8，然后開啟閥門1及5。

固定床離子交換器的設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)物料平衡原理，可得如下基本公式：A——離子交換器截面積，m2； h——樹脂層高度，m；E——交換樹脂的工作交換容量，mmol/L; qv——廢水平均流量，m3/h;c0——進(jìn)水濃度，mmol/L; c——出水濃度，nmol/L；T——交換周期，h。離子交換工藝及設(shè)備樹脂層離子交換規(guī)律——分層失效原理(一)廢水中只有一種離子B+離子交換工藝及設(shè)備(二)廢水中有幾種離子B1+、B2+、B3+

且交換能力B1+＞B2+＞B3+

離子交換可對(duì)廢水中不同離子進(jìn)行分離。離子交換工藝及設(shè)備樹脂的再生

(一)再生的目的恢復(fù)樹脂的交換能力回收有用物質(zhì)(二)再生原理RA+B=RB+A如果顯著增加A離子濃度，在濃差作用下，大量A離子向樹脂內(nèi)擴(kuò)散，而樹脂內(nèi)的B則向溶液擴(kuò)散。反應(yīng)向左進(jìn)行，從而達(dá)到樹脂再生的目的。離子交換工藝及設(shè)備(二)影響再生的因素

再生劑再生劑的種類

H型陽樹脂：再生劑HCl

或H2SO4，HCl

優(yōu)于H2SO4。

OH型陰樹脂：再生劑Na2CO3或NaOH。

再生劑的濃度

HCl5～10%

NaOH10～12%、4～8%再生劑用量1.2～3.0倍樹脂體積。離子交換工藝及設(shè)備

再生方式

順流再生

優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單；操作方便、可靠。

缺點(diǎn)：有重復(fù)交換現(xiàn)象，再生劑用量高；工作交換容量低。再生方式

逆流再生

優(yōu)點(diǎn)：

避免重復(fù)交換；再生劑用量少。樹脂底層再生干凈，工作交換容量較高。

缺點(diǎn)：

設(shè)備較復(fù)雜。要求控制技術(shù)高。

第四節(jié)離子交換工藝及設(shè)備離子交換設(shè)計(jì)

(一)根據(jù)廢水水質(zhì)和處理要求，選擇離子交換劑。(二)選擇合適的再生劑，估算其用量。(三)根據(jù)去除對(duì)象確定工藝流程及工藝參數(shù)。1工藝流程的確定2主要工藝參數(shù)

交換速度15～35m/h；反沖速度15m/h再生劑流速10～15m/h再生效率＞80%第四節(jié)離子交換工藝及設(shè)備

(四)離子交換柱尺寸確定1離子交換柱高度HH=H1+H2+H3H1—樹脂層高度；H2—樹脂層以上高度，膨脹率40～80%；H3—底部配水區(qū)高度(0.4m)2交換柱內(nèi)徑D

式中：Q—處理水量；(D≤3m)n—并聯(lián)臺(tái)數(shù)；u—交換速度。第四節(jié)離子交換工藝及設(shè)備第五節(jié)應(yīng)用二水的軟化和除鹽

(一)水質(zhì)軟化1Na離子交換軟化系統(tǒng)

2R—Na+Ca(HCO3)2=R2—Ca+2NaHCO32R—Na+CaSO4=R2—Ca+Na2SO4

2R—Na+MgCl2=R2—Mg+2NaCl2第五節(jié)應(yīng)用2強(qiáng)酸性H離子交換脫堿軟化系統(tǒng)

2R—H+Ca(HCO3)2=R2—Ca+2CO2+2H2O2R—H+CaCl2=R2—Ca+2HCl2R—H+NaCl=R—Na+2HCl生成的CO2用CO2去除裝置去除，HCl加堿中和。第五節(jié)應(yīng)用

(二)水的除鹽

工藝流程：

強(qiáng)酸RH+脫除CO2+強(qiáng)堿ROH第五節(jié)應(yīng)用三離子交換處理工業(yè)廢水

(一)處理廢水注意的問題

預(yù)處理懸浮物或油類濃度大于5～10mg/L時(shí)，采用過濾或吸附法。

有機(jī)污染和重金屬污染采用大孔樹脂；再生時(shí)適當(dāng)加入氧化劑；選用高濃度再生劑。

pH值不同性質(zhì)樹脂使用；廢水中污染物的存在狀態(tài)。

水溫提高離子內(nèi)擴(kuò)散和薄膜擴(kuò)散速度；過高可引起樹脂降