活性炭吸附系統(tǒng)知識(shí)梳理24.1吸附的基本理論4.1.1吸附現(xiàn)象及類型4.1.2吸附劑4.1.3吸附平衡與吸附等溫式4.1.4影響吸附平衡的因素34.1.1吸附現(xiàn)象及類型1.吸附的定義在相界面上,物質(zhì)的濃度自動(dòng)發(fā)生積累或濃集的現(xiàn)象稱為吸附吸附劑具有吸附能力的多孔性固體物質(zhì)稱為吸附劑吸附質(zhì)被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)吸附的類型(吸附劑表面吸附能力的不同)物理吸附范德華力

化學(xué)吸附化學(xué)鍵42.原理：吸附劑表面上的分子受力不均衡→存在剩余力場(chǎng)（即具有表面能）。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，這種能力有自動(dòng)變小的趨勢(shì)。當(dāng)溶液中的吸附質(zhì)→達(dá)到吸附劑表面時(shí)，致使界面上的分子受力變得均衡一些，從而降低了這種表面能。這就是吸附過(guò)程自動(dòng)發(fā)生的一種推動(dòng)力。因此吸附的本質(zhì)是物質(zhì)從液相（或氣相）到固相表面的一種傳質(zhì)現(xiàn)象。53.類型：根據(jù)吸附劑表面吸附力的不同，吸附可分為以下三種類型：

1）物理吸附：分子間的作用力所引起的。

·吸附熱較小，可在低溫下進(jìn)行。

·過(guò)程是可逆的，易解吸。

·沒(méi)有選擇性。分子量越大，吸附量越大。

·可形成單分子吸附層或多分子吸附層。2）化學(xué)吸附：由化學(xué)鍵力引起的――產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。6

如石灰吸附CO2→CaCO3·吸附熱大，一般在較高溫下進(jìn)行。

·具有選擇性，單分子層吸附。

·化學(xué)鍵力大時(shí)，吸附不可逆。3）離子交換吸附：靜電引力吸附質(zhì)的離子→吸附劑表面的帶電點(diǎn)上，同時(shí)吸附劑也放出一個(gè)等當(dāng)量離子。

·離子電荷越多，吸附越強(qiáng)。

·離子水化半徑越小，越易被吸附。實(shí)際過(guò)程中物理和化學(xué)吸附是主要的，比較如下：7吸附性能物理吸附化學(xué)吸附作用力分子引力（范德華力）剩余化學(xué)鍵力選擇性沒(méi)有選擇性有選擇性吸附層單分子或多分子吸附層只能形成單分子吸附層吸附熱較小，＜41.9kJ/mol較大，相當(dāng)于化學(xué)反應(yīng)熱，83.7-418.7kJ/mol吸附速度快，幾乎不要活化能較慢，需要活化能溫度放熱過(guò)程，低溫有利于吸附溫度升高，吸附速度增加可逆性可逆，較易解析化學(xué)鍵大時(shí)，吸附不可逆84.1.2吸附劑

具有一定吸附能力的多孔物質(zhì)都可以作吸附劑。有活性炭、活化煤、焦炭、煤渣。

活性碳是水處理中應(yīng)用最為廣泛的吸附劑。

1.活性碳的制造原料：木材、煤，經(jīng)高溫炭化和活化而成。炭化：溫度500-600℃，將原料熱解為碳渣?；罨喊烟荚斐砂l(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu)主要有兩種活化方法：氣體法：通入水蒸氣藥劑法：用氯化鋅、硫酸等作為活化劑。9原料碳化破碎、造?；罨礈旄稍锖Y分成品水蒸氣顆粒狀活性炭的制造工藝102活性炭的構(gòu)造吸附作用主要發(fā)生在細(xì)孔表面。比表面積：每克吸附劑具有的總表面積。可達(dá)500～1700m2/g。吸附量除與比表面積有關(guān)外，還與細(xì)孔的形狀和分布有關(guān)。細(xì)孔的構(gòu)造有；圓桶形，圓錐形，瓶形，平板形，毛細(xì)管形等。直徑為1～10000nm。11根據(jù)杜必寧的分類，細(xì)孔分為：

A.小孔（微孔）半徑在2nm以下，其表面積占比表面積的95%以上，對(duì)吸附量的影響最大。

B.中孔（過(guò)渡孔）半徑為2～100nm,表面積占比表面積的5%以下。它為吸附質(zhì)提供擴(kuò)散通道，影響大分子物質(zhì)的吸附。

C.大孔半徑為100～10000nm，表面積只有0.5～2m2/g，占比表面積不足1%，主要為吸附質(zhì)提供擴(kuò)散通道。12一般來(lái)說(shuō)，吸附量主要受小孔支配，但對(duì)于分子量（或分子直徑）較大的吸附質(zhì)，小孔幾乎不起作用。

所以，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)吸附質(zhì)的直徑大小和活性炭的孔徑分布來(lái)選擇合適的活性炭。133活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)吸附不僅與構(gòu)造和細(xì)孔分布有關(guān)，還與其表面化學(xué)性質(zhì)有關(guān)?；钚蕴渴欠菢O性的，但在制造過(guò)程中，易于與氫、氧結(jié)合而具有微弱的極性。正因如此，它不僅可以去除水中的非極性物質(zhì)，還可去除極性物質(zhì)甚至微量的金屬離子及化合物。14

4活性炭的特點(diǎn)

A.具有良好的吸附性能和化學(xué)穩(wěn)定性

B.可耐酸堿

C.能經(jīng)受水浸、高溫、高壓作用

D.不易破碎，氣流阻力小

E.粉狀活性炭制造容易、成本低，但不易再生粒狀活性炭成本較高，但操作管理和再生容易154.1.3吸附等溫式與吸附速度1.吸附平衡(1)定義

當(dāng)吸附質(zhì)的吸附速率=解吸速率（即V吸附=V解吸），即在單位時(shí)間內(nèi)吸附數(shù)量等于解吸的數(shù)量，則吸附質(zhì)在溶液中的濃度C與在吸附劑表面上的濃度都不再變時(shí)，即達(dá)到吸附平衡，此時(shí)吸附質(zhì)在溶液的濃度Ce叫平衡濃度。

162.吸附量q(g/g)

衡量吸附劑吸附能力的大小，達(dá)到吸附平衡時(shí)，單位重量的吸附劑（g）所吸附的吸附質(zhì)的重量（g）。

式中：V—廢水容積；W—活性炭投量，gC0—廢水吸附質(zhì)濃度（g/L）Ce—吸附平衡時(shí)水中剩余的吸附質(zhì)濃度—平衡濃度173.吸附等溫線

在一定T下，q隨平衡濃度Ce變化的曲線（q=f(Ce)）叫吸附等溫線。用數(shù)學(xué)公式描述則叫吸附等溫式。4.吸附等溫式（三種）朗謬爾公式表示I型吸附等溫線的有費(fèi)蘭德利希公式表示II型吸附等溫線的有BET公式

18(1)Langmuir等溫式假設(shè)吸附劑表面均一，各處的吸附能相同；吸附是單分子層的，當(dāng)吸附劑表面為吸附質(zhì)飽和時(shí)，其吸附量達(dá)到最大值。q0-吸附劑的吸附容量極限值，mg/gb-常數(shù)項(xiàng)，L/mg19（2）BET式Cs-吸附質(zhì)平衡濃度的最大值，mg/gB-常數(shù)項(xiàng)，L/mg20(3)Freundlich等溫式(經(jīng)驗(yàn)式）K——Freundlich吸附常數(shù)n——常數(shù)，通常n>1一般認(rèn)為，1/n介于0.1～0.5，則易于吸附；1/n＞2時(shí)難以吸附。K值越大,活性炭的吸附容量越大,1/n表示隨著濃度的增加吸附容量增加的速度.21利用K值和1/n比較不同活性炭的吸附特性A炭的吸附容量較B炭大，當(dāng)濃度較高時(shí)B炭的吸附效果有所改善；當(dāng)?shù)蜐舛任紺時(shí)吸附容量比D炭高，但在高濃度時(shí)，吸附容量D炭C炭高。22q是選擇吸附劑和吸附設(shè)備的重要參數(shù)，q決定吸附劑再生周期的長(zhǎng)短，q越大，再生周期越長(zhǎng)，再生劑用量及其費(fèi)用越小。q通過(guò)吸附試驗(yàn)來(lái)確定。

234.吸附等溫曲線的測(cè)定用6個(gè)以上的具塞磨口三角燒瓶，取同樣體積及濃度的污水，在每個(gè)瓶中加入不同的炭量（其中包括一個(gè)空白瓶），用振蕩機(jī)混合均勻，使吸附達(dá)到平衡。測(cè)定各瓶中污水的殘余濃度，計(jì)算其吸附容量（qe）。計(jì)算lgqe和lgci值，在坐標(biāo)紙上，以lgqe為縱坐標(biāo)，以lgci為橫坐標(biāo)，求得吸附等溫曲線的K值和1/n。24吸附劑活性碳：吸附力強(qiáng)，比表面積可達(dá)800-2000m2/g，價(jià)格低，制備容易，再生困難。再生方法1)加熱再生法：提高溫度，使吸附分子脫附。注意加熱再生爐應(yīng)在缺氧狀態(tài)下工作，炭量損失少。2)化學(xué)再生法：通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使吸附質(zhì)轉(zhuǎn)化為易溶于水的物質(zhì)解析下來(lái)。25吸附劑腐植酸類吸附劑：主要有天然富含腐植酸的風(fēng)化煤、泥煤、褐煤等。目前已經(jīng)有很多成型產(chǎn)品（填料）投放市場(chǎng)，用于水處理吸附。26應(yīng)用舉例27吸附等溫式的應(yīng)用由圖可見(jiàn)，Langmuir吸附等溫式大體上適用。285.應(yīng)用舉例qe=Kce1/n由圖可見(jiàn)，F(xiàn)reundlich吸附等溫式也適用。296.兩點(diǎn)說(shuō)明1.以上兩種形式的吸附等溫線公式,公式用于單組分吸附,即Ci指污水中某一種物質(zhì)的平衡濃度，如酚、COD、BOD、油、色度。2.可粗略地進(jìn)行成本估算.30

7.吸附速度吸附速度決定了廢水和吸附劑的接觸時(shí)間，該值越大，則接觸時(shí)間越短，所需設(shè)備容積就越小，反之亦然。31吸附過(guò)程一般分為3個(gè)階段：

ⅰ

液膜擴(kuò)散（顆粒外部擴(kuò)散）階段

ⅱ顆粒內(nèi)部擴(kuò)散階段

ⅲ吸附反應(yīng)階段：吸附質(zhì)被吸附在細(xì)孔內(nèi)表面上。

吸附反應(yīng)速度非常快，V主要取決于第ⅰ

、ⅱ階段速度，而顆粒外部擴(kuò)散速度（液膜擴(kuò)散）32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33溶液濃度C↑，則

顆粒直徑d↓，則

加強(qiáng)攪動(dòng)，則

而顆粒內(nèi)部擴(kuò)散速度=f（細(xì)孔大小與構(gòu)造，吸附質(zhì)的d）吸附劑顆粒直徑d↓，。

d的大小對(duì)內(nèi)、外部擴(kuò)散都有很大影響，d↓,。所以，粉末狀活性炭比粒狀活性炭的吸附速度要快，接觸時(shí)間短，設(shè)備容積小。

34358.吸附的影響因素(1)吸附劑的性質(zhì)：吸附劑的種類、顆粒大小、比表面積，顆粒的細(xì)孔構(gòu)造與分布、吸附劑是否是極性分子等。(2)吸附質(zhì)的性質(zhì)：①溶解度：越低越容易吸附，具有較大的影響。②使液體表面自由能W降低得越多的吸附質(zhì)則越容易被吸附。36③極性吸附劑易吸附極性的吸附質(zhì)。非極性吸附劑易吸附非極性的吸附質(zhì)。④吸附質(zhì)分子的大小和不飽和度?；钚蕴浚阂孜椒肿又睆捷^大的飽和化合物合成沸石：易吸附分子直徑小的不飽和化合物⑤吸附質(zhì)的濃度較低時(shí)，提高C可增加吸附量。以后C↑，q增加很小，直至為一定值。

（物以類聚）37(3)廢水的pH值：活性炭一般在酸性溶液中比在堿性溶液中吸附效果較好。(4)共存物質(zhì)：對(duì)于物理吸附，共存多種物質(zhì)時(shí)的吸附比單一物質(zhì)時(shí)的吸附要差。(5)溫度：對(duì)于物理吸附，T高則不利，吸附量減少。(6)接觸時(shí)間：應(yīng)保證吸附達(dá)到平衡時(shí)的時(shí)間，而該時(shí)間的大小取決于吸附速度V，V大則所需時(shí)間短。38易吸附的有機(jī)物;不易吸附的有機(jī)物：芳烴溶劑類低相對(duì)分子量的酮類苯糖及淀粉甲苯極高的相對(duì)分子量或膠體有機(jī)物低相對(duì)分子量的脂肪類硝基甲苯氯化芳烴類五氯酚類氯酚類多環(huán)芳香烴類艾氏劑DDT39吸附的操作方式間歇式連續(xù)式固定床移動(dòng)床流化床4.2吸附操作及裝置活性炭吸附操作方式40（1）固定床圖1-1固定床吸附塔構(gòu)造示意圖4.2.2活性炭吸附裝置的類型41

一般的固定床吸附柱中，吸附柱的總厚度為3~5m，分成幾個(gè)柱串聯(lián)工作，每個(gè)柱厚度1~2m。過(guò)濾速度在4~15m/h之間，接觸時(shí)間一般不大于30~60min。為防止吸附劑層的堵塞，含懸浮物的廢水一般先應(yīng)經(jīng)過(guò)砂濾，再進(jìn)行吸附處理。42圖1-2移動(dòng)床吸附塔構(gòu)造示意圖l—通氣閥；2—進(jìn)料斗；3—溢流管；4、5—直流式襯膠閥；6—水射器；7—截止閥（2）移動(dòng)床43多層流化床吸附塔結(jié)構(gòu)示意圖（3）流化床444.2.3吸附水中有機(jī)物的粒狀活性炭床的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)：濾速、活性炭吸附容量、運(yùn)行周期用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)：濾速：5～10m/h（空塔流速，superficialvelocity)或空床接觸時(shí)間（emptybedcontacttime,EBCT,10～30min)吸附容量（經(jīng)驗(yàn)值）200gCODMn/Kg454.2.4穿透曲線46粒狀活性炭吸附柱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖47多級(jí)串聯(lián)曲線484.3吸附劑再生(1)活性炭再生方法的選擇是否能改變污染物的化學(xué)性質(zhì)是否能用對(duì)污染物親和力強(qiáng)的溶劑萃取是否能用對(duì)活性炭親和力比對(duì)污染物強(qiáng)的物質(zhì)置換是否能用外部加熱的方法使溫度升高,改變其吸附平衡關(guān)系是否能用某種方法分解氧化有機(jī)污染物491）加熱再生法（粒狀炭常用）步驟：①脫水：使活性炭和輸送液分離②干燥：加溫到100～150℃，把細(xì)孔中的水分蒸發(fā)出來(lái)，同時(shí)使一部分低沸點(diǎn)的有機(jī)物也揮發(fā)出來(lái)③碳化：加熱到300～700℃，使高沸點(diǎn)有機(jī)物熱分解，一部分低沸點(diǎn)物質(zhì)揮發(fā)，另一部分被碳化留在活性炭細(xì)孔中（2）活性炭再生方法50④活化：加熱到700～l000℃，使留在細(xì)孔中的殘留碳與活化氣體(如水蒸氣、CO2和O2)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物以氣態(tài)形式逸出，達(dá)到重新造孔的目的⑤冷卻：把活化后的活性炭用水急劇冷卻，防止氧化。從再生爐排出的廢氣中含有甲烷、乙烷、乙烯、焦油蒸氣、SO2、CO2、CO、H2、過(guò)剩O2等。為防止廢氣污染大氣，可將排出的廢氣先送入燃燒器燃燒后，再送入水洗塔除去粉塵和有臭味物質(zhì)

511）加熱再生法設(shè)備：圖4-17立式多段再生爐再生爐為圓筒形，外殼用鋼板焊制，內(nèi)襯耐火材料，爐膛被水平耐火磚拱分成4～9段爐床。中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)耙臂，利用耙齒使活性炭自上段向下段移動(dòng)。該再生爐為六段，第一、二段用于干燥，第三、四段用于碳化，第五、六段為活化。522）溶劑再生法

用溶劑將被活性炭吸附的物質(zhì)解吸下來(lái)。常用的有機(jī)溶劑有：等。苯、丙酮、甲醇、乙醇、異丙醇、鹵代烷常用的無(wú)機(jī)溶劑有HCl、Ｈ２SO４、ＮaOH等。例如，吸附了苯酚的活性炭，可用氫氧化鈉溶液浸泡，使形成酚鈉鹽而解析。該再生過(guò)程可在吸附塔內(nèi)進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單，活性炭損失較少。533）化學(xué)氧化法濕式氧化法是粉狀炭再生常用的方法.它用空氣中的氧，在高溫(200～250℃)高壓(30～70kg/cm2)下氧化吸附于活性炭表面上的吸附質(zhì)，氧化過(guò)程中活性炭置于液相中其工藝流程如圖所示。濕式氧化再生流程544）生物法利用經(jīng)過(guò)馴化培養(yǎng)的菌種處理飽和炭，在微生物的作用，吸附在活性炭上的有機(jī)物解析并進(jìn)一步氧化分解成CO2和H2O，使飽和炭得到再生。處理水量不大時(shí)，可以將炭床內(nèi)的活性炭一次性卸出，然后放置在固定的容器內(nèi)進(jìn)行生物再生，待一段時(shí)間后活性炭?jī)?nèi)吸附的有機(jī)物基本上被氧化分解，炭的吸附性能基本恢復(fù)時(shí)即可重新使用。在活性炭吸附處理過(guò)程中，同時(shí)向炭床內(nèi)鼓入空氣，以供炭粒上生長(zhǎng)的微生物生長(zhǎng)繁殖和分解有機(jī)物的需要。這樣整個(gè)炭床就處在不斷地由水中吸附有機(jī)物，同時(shí)又在不斷氧化分解這些有機(jī)物的動(dòng)平衡過(guò)程中。55（3）再生活性炭的評(píng)價(jià)1）靜態(tài)試驗(yàn)法①充填密度(公升重)每公升容積內(nèi)所填充活性炭的重量(kg/L)②表觀密度(視比重)每公升容積內(nèi)活性炭的重量(不包括活性炭粒子間的空間,只包括活性炭自身構(gòu)造上的細(xì)孔容積)(kg/L)③真密度(真比重)每公升容積內(nèi)活性炭的重量(僅活性炭自身重量,不包括粒子間容積和自身細(xì)孔積)(kg/L)④碘值是活性炭相吸附在工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)脫色試驗(yàn).在規(guī)定的0.02N的碘溶液中1g活性炭吸附碘的毫克數(shù).在一定程度上能反應(yīng)活性炭對(duì)廢水中小分子有機(jī)物的吸附能力.56⑤糖蜜值或焦糖值焦糖值是測(cè)定所要分析的活性炭對(duì)標(biāo)準(zhǔn)糖色或焦糖溶液中有色物的吸附能力,與標(biāo)準(zhǔn)炭相比,以百分?jǐn)?shù)計(jì).在一定程度上可表示活性炭對(duì)較大分子有機(jī)物的吸附能力.⑥水容量指活性炭全部孔隙內(nèi)充滿水時(shí)的最大吸水量.在活性炭制造和再生現(xiàn)場(chǎng),可以用來(lái)估價(jià)活性炭的總孔容積.2)動(dòng)態(tài)吸附性試驗(yàn)574.4吸附法的應(yīng)用在給水處理中去除微量有害物質(zhì)、色度及臭味。在廢水的深度處理中去除難于生化降解或化學(xué)氧化法難于氧化的少量有害物質(zhì)，包括木質(zhì)素、氯和硝基取代的芳烴化合物、雜環(huán)化合物、洗滌劑、合成染料、DDT等?；钚蕴刻幚韽U水，能把廢水處理到可重復(fù)利用的程度。58混凝沉淀快濾消毒（英國(guó)阿林頓水廠）原水粉末活性炭澄清池濾池清水池消毒（美國(guó)俄亥俄水廠）原水粉末活性炭混凝沉淀快濾消毒（美國(guó)某水廠）原水粉末活性炭在處理有機(jī)物方面的應(yīng)用：59例1：用活性炭吸附水中色素的試驗(yàn)方程為：今有100L溶液，色素濃度為0.05g/L，欲將色素去除99%，需加多少活性炭？解：平衡時(shí)的60例2：某河水的CODMn6mg/L，欲采用投加粉末狀活性炭的方法將CODMn降為2mg/L，處理水量為100m3/h,求粉末活性炭的投加量？解：截距220mg（Ce=1mg/L），斜率0.5，故n=2。當(dāng)Ce=2mg/L時(shí)，活性炭的吸附容量：61在脫除水中余氯方面的應(yīng)用：1.半脫氯值（half-dechlorine’svalue）:指含余氯的水通過(guò)一活性炭吸附柱，確定當(dāng)出水中余氯濃度剛好等于進(jìn)水中余氯濃度的一半時(shí)所需要的炭層高度，即為半脫氯值。該值小于6cm為最佳選擇。試驗(yàn)用水：余氯：5mg/L±0.5mg/L；pH7～7.5，水溫：20℃±3℃流速：1cm/s±0.1cm/s；炭柱：柱高：10cm±0.1cm活性炭粒度：1～2.5mm；粒度差：±0.05mm2.試驗(yàn)：62半脫氯值計(jì)算：3.影響脫氯的因素：1）粒度的影響：2）pH的影響：633）溫度的影響：4）濁度的影響：644.5活性炭水處理裝置運(yùn)行與管理4