1、第四章污水的物理化學(xué)處理,4.2 吸附,吸附：在相界面上，一種物質(zhì)的濃度在另一種物質(zhì)表面自動(dòng)發(fā)生累積或濃集的現(xiàn)象。 吸附法：利用多孔性的固體物質(zhì)，使水中的一種或多種物質(zhì)被吸附在固體表面而去除的方法。 吸附劑：具有吸附能力的多孔性固體物質(zhì)，如活性炭，磺化煤，沸石等。 吸附質(zhì)：水中被吸附的物質(zhì)。,吸附法在水處理中的應(yīng)用,在處理領(lǐng)域：主要用于脫除水中的微量污染物，有效捕捉低濃度的物質(zhì)，進(jìn)行脫色、除臭、去除重金屬、各種溶解性有機(jī)物，放射性元素等，并可回收有用物質(zhì)。 在處理流程方面：作為離子交換法、膜處理法的預(yù)處理，以去除有機(jī)物、膠體及余氯；也可作為二級(jí)處理后的深度處理手段，保證回用水質(zhì)量。,原理：吸附

2、質(zhì)對(duì)水的疏水特性及對(duì)吸附劑的高度親和力。 影響因素：吸附質(zhì)的溶解度越低，吸附效果越好；吸附質(zhì)與吸附劑之間的作用力。 吸附：被吸附的物質(zhì)（吸附質(zhì)）從水相轉(zhuǎn)移到固體物質(zhì)上的過程。 解吸：被吸附的物質(zhì)由于分子的熱運(yùn)動(dòng)脫離吸附劑表面而自由轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。,1、吸附的基本原理及類型,物理吸附：依靠吸附質(zhì)與吸附劑之間的分子間引力產(chǎn)生的吸附過程。 放熱反應(yīng)。 沒有特定的選擇性。 不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，低溫下可以進(jìn)行。 較易解吸或脫附。 影響因素：吸附劑的比表面積。,1、吸附的基本原理及類型,化學(xué)吸附：吸附劑與吸附質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成牢固的吸附化學(xué)鍵和表面配合物的過程。 需在較高的溫度下進(jìn)行,吸附時(shí)放熱較大。 有選

3、擇性。 不可逆反應(yīng)。 再生較困難，需高溫脫附。 處理毒性強(qiáng)的物質(zhì)更安全。,1、吸附的基本原理及類型,離子交換吸附 吸附質(zhì)的離子由于靜電引力聚集到吸附劑表面的帶電點(diǎn)上，同時(shí)吸附劑表面原先固定在這些帶電點(diǎn)上的其他離子被置換出來，等于吸附劑表面上放出一個(gè)等當(dāng)量離子。離子所帶電荷越多，吸附越強(qiáng)，電荷相同的離子 ，其水化半徑越小，越易被吸附。,1、吸附的基本原理及類型,一、吸附平衡與吸附速率 平衡濃度：指吸附質(zhì)在溶液中的濃度和在吸附劑表面上的濃度都不再發(fā)生改變而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，吸附質(zhì)在溶液中的濃度即被稱為平衡濃度。亦就是吸附速度和解吸速度相等時(shí)，吸附質(zhì)在溶液中的濃度。 吸附容量q：在一定的溫度和壓力下達(dá)

4、到吸附平衡時(shí)，單位質(zhì)量的吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的質(zhì)量，以g/g表示。,2.吸附平衡與吸附等溫線,吸附速率：單位質(zhì)量的吸附劑在單位時(shí)間內(nèi)所吸附的物質(zhì)的量，是衡量吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附效果，決定廢水與吸附劑接觸時(shí)間的重要參數(shù)。 吸附過程分三個(gè)階段 顆粒外部擴(kuò)散階段:吸附質(zhì)通過吸附劑顆粒周圍存在的液膜到達(dá)吸附劑的外表面。與溶液濃度、吸附劑的外表面積及溶液攪動(dòng)速度成正比，與吸附質(zhì)的顆粒直徑成反比。 顆粒內(nèi)部擴(kuò)散階段：吸附質(zhì)由吸附劑外表面向孔內(nèi)深處擴(kuò)散。與吸附劑細(xì)孔的大小、構(gòu)造、吸附質(zhì)顆粒大小、構(gòu)造等因素有關(guān)。 吸附反應(yīng)階段：吸附質(zhì)被吸在細(xì)孔的內(nèi)表面上,瞬間完成。,吸附速率,吸附劑必須是具有高度疏松結(jié)構(gòu)和巨

5、大暴露表面的多孔物質(zhì)。只有這樣，才能給吸附提供很大的表面。吸附劑的有效表面包括顆粒的外表面和內(nèi)表面，而內(nèi)表面總是比外表面大得多，例如硅膠的內(nèi)表面高達(dá)600m2g，活性炭的內(nèi)表面可高達(dá)1000m2g。這些內(nèi)部孔道通常都很小，有的寬度只有幾個(gè)分子的直徑，但數(shù)量極大，這是由吸附劑的孔隙率決定的。因此，要求吸附劑要有很大的孔隙率。除此之外，還要求吸附劑具有合適的孔隙和分布合理的孔徑，以便吸附質(zhì)分子能到達(dá)所有的內(nèi)表面而被吸附。,溫度一定時(shí)，吸附容量隨吸附質(zhì)平衡濃度的提高而增加，把吸附容量隨平衡濃度而變化的曲線稱為吸附等溫線。 吸附等溫式：描述吸附等溫線的數(shù)學(xué)表達(dá)式 弗蘭德利希等溫式（適用于單組分吸附體系

6、） 式中：K-吸附系數(shù)；n-常數(shù)，通常大于1。 若1/n=0.1-0.5之間，易于吸附； 若1/n2，則難于吸附。,吸附等溫線,1.吸附劑的種類及性質(zhì) a.吸附劑種類：極性吸附劑吸附極性物質(zhì)，非極性吸附劑吸附非極性物質(zhì)。 b.比表面積越大、顆粒越小，吸附容量越大； c.孔結(jié)構(gòu)：孔徑大，比表面小，吸附能力差；孔徑太小，不利于吸附質(zhì)擴(kuò)散。 微孔：孔半徑2nm； 過渡孔：孔半徑介于2-100nm之間; 大孔：孔半徑100nm.提供擴(kuò)散通道。,3、吸附過程的影響因素,2.吸附質(zhì)的性質(zhì) a.溶解度 溶解度越小，越易被吸附。同系有機(jī)物在水中的溶解度隨著其鏈長的增長而減小，則吸附劑對(duì)其的吸附能力隨鏈長的增長

7、而增長。 b.吸附質(zhì)的結(jié)構(gòu) 活性炭對(duì)芳香族化合物吸附效果好于脂肪族； 對(duì)不飽和鏈有機(jī)物吸附效果好于飽和有機(jī)物； 對(duì)非極性或極性小的物質(zhì)吸附效果好于極性物質(zhì)的效果。,c.吸附質(zhì)分子的大小和不飽和程度 吸附質(zhì)分子體積越大，其擴(kuò)散系數(shù)越大，吸附效率就越大?；钚蕴恳孜椒肿又睆捷^大的非極性化合物；沸石易吸附分子直徑小的極性化合物。 注：分子量過大，影響擴(kuò)散速度。 d.吸附質(zhì)的濃度 吸附質(zhì)的濃度比較低時(shí)，由于吸附劑的表面大部分是空閑的，此時(shí)提高吸附質(zhì)濃度會(huì)增加吸附量；當(dāng)濃度提高到一定程度后，再行提高濃度，吸附量雖增加但速度減慢；當(dāng)全部吸附表面被吸附質(zhì)占據(jù)時(shí)，吸附量達(dá)到極限狀態(tài)，以后吸附量不隨吸附質(zhì)的濃度

8、的提高而增加。,3.操作條件 溫度：低溫有利吸附，高溫解吸。 pH值：影響吸附質(zhì)的溶解度和離解度，。 接觸時(shí)間：充足；吸附速度快，所需時(shí)間短。 共存物質(zhì)：多種物質(zhì)共存時(shí)，影響吸附量，每種溶質(zhì)都會(huì)以某種方式與其他溶質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)吸附活性中心點(diǎn)，油類和其它懸浮物質(zhì)也會(huì)影響吸附。 4.生物協(xié)同作用 利用微生物降解有機(jī)物，延長活性炭再生周期。 水頭損失增加，需經(jīng)常反沖洗，易造成厭氧狀態(tài)，產(chǎn)生硫化氫氣體。 措施：向炭層曝氣，增加反沖洗強(qiáng)度。,吸附劑選擇要求及種類 要求: 吸附選擇性好； 吸附容量大； 吸附平衡濃度低； 機(jī)械強(qiáng)度高； 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定； 容易再生和再利用； 原料廣泛，價(jià)格低廉。,4、吸附劑及其再生,活

9、性炭 用含炭為主的物質(zhì)，如煤、果皮、木屑以及含炭有機(jī)廢渣為原料，經(jīng)高溫炭化和活化制得的吸附劑。 特點(diǎn)：具有疏水性和親有機(jī)物質(zhì)的性質(zhì)，它能吸附絕大部分有機(jī)氣體，如苯類，醛酮類、醇類、烴類等以及惡臭物質(zhì)，因此，活性炭常被用來吸附和回收有機(jī)溶劑和處理惡臭物質(zhì)。對(duì)SO2、NOx、Cl2、H2S、CO2等有害氣體也有優(yōu)良的吸附能力，因此，在吸附操作中，活性炭是一種首選的優(yōu)良吸附劑。,優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定、抗腐蝕。 炭化：把原料熱解成炭渣，生成類似石墨的多環(huán)芳香系物質(zhì)。 活化：把熱解的炭渣制成多孔性結(jié)構(gòu)。 1.分類 粉末活性炭:不易回收，一般為一次性使用，用于間歇的污染較嚴(yán)重的水處理工藝 粒狀活性炭:不易流失，

10、可再生重復(fù)使用，用于污染較輕，需連續(xù)運(yùn)行的水處理工藝 。,2.性質(zhì)： 黑色；良好的吸附性能，化學(xué)穩(wěn)定性好；比重輕于水；多孔性的疏水性吸附劑。 3.細(xì)孔構(gòu)造和細(xì)孔分布 小微孔：半徑2nm；容積0.15-0.9ml/g ，占比表面積的95%以上，決定其吸附容量。 過渡孔：半徑2-100nm；容積0.02-0.1ml/g。用來吸附大尺寸的吸附質(zhì)，當(dāng)采用特別的活化方法，如延長活化時(shí)間、減慢加溫速度或藥劑活化時(shí)，可得到過渡特別發(fā)達(dá)的活性炭。 大微孔：半徑100-10000nm；容積為0.2-0.5ml/g，表面積0.5-5m2/g 給水處理的顆粒活性炭微孔和中孔發(fā)達(dá),1）應(yīng)用范圍廣，對(duì)水中絕大多數(shù)有機(jī)物

11、都有效，包括微生物難降解的有機(jī)物，對(duì)某些重金屬化合物有較強(qiáng)的吸附能力； 2）處理程度高，城市污水用活性炭處理后，BOD可降低99%，TOC可降到1-3mg/L； 3）對(duì)水質(zhì)、水溫及水量的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力； 4）可回收有用物質(zhì)； 5）飽和炭可再生后重復(fù)利用，不產(chǎn)生二次污染； 6）水處理裝置占地面積小，易于自動(dòng)控制，運(yùn)轉(zhuǎn)管理簡單。,活性炭水處理的特點(diǎn),活性氧化鋁： 活性氧化鋁是一種極性吸附劑，無毒，對(duì)水的吸附容量很大，常用于高濕度氣體的吸濕和干燥。它還用于多種氣態(tài)污染物，如SO2、H2S、含氟廢氣、NOx以及氣態(tài)碳?xì)浠衔锏葟U氣的凈化。 活性氧化鋁機(jī)械強(qiáng)度好，可在移動(dòng)床中使用，并可作催化劑的載

12、體。而且它對(duì)多數(shù)氣體和蒸氣是穩(wěn)定的，浸入水或液體中不會(huì)溶脹或破碎。循環(huán)使用后其性能變化很小，因此使用壽命長。,硅膠： 硅膠是一種極性吸附劑，可以用來吸附SO2、NOx等氣體，但難于吸附非極性的有機(jī)物。 同時(shí)親水性好，從水中吸附水份量可達(dá)硅膠自身質(zhì)量的50%。常用于處理含濕量較高的氣體干燥，烴類物質(zhì)回收等。 硅膠還可用作催化劑的載體。,沸石分子篩： 是一種人工合成沸石，為微孔型、具有立方晶體的硅酸鹽。 通式為：Mex/n(Al2O3)x(SiO2)ymH2O 特點(diǎn)：孔徑整齊均一，因而具有篩分性能，一種離子型吸附劑，對(duì)極性分子，不飽和有機(jī)物具有選擇吸附能力。 吸附樹脂： 最初為酚、醛類縮合高聚物，

13、以后出現(xiàn)一系列的交聯(lián)共聚物，如聚苯乙烯等。 大孔吸附樹脂除了價(jià)格較貴外，比起活性炭，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，品種較多，能用于廢水處理，維生素的分離及H2O2的精制等。,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，用某些方法將被吸附的物質(zhì)，從吸附劑的細(xì)孔中除去，以達(dá)到重復(fù)使用的目的。 一、加熱再生法 低溫法：濃度高的簡單低分子量的再生，200 高溫法：粒狀炭的再生。 脫水，固液分離 干燥，加溫至100-150 炭化，加溫至300-700 活化，通入水蒸氣、CO2或O2，700-1000 冷卻，水冷卻，防止氧化,吸附劑的再生,優(yōu)點(diǎn)： 1.幾乎所有的有機(jī)物都可采用此法； 2.再生炭質(zhì)量均勻，再生性能恢復(fù)

14、率高； 3.再生時(shí)間短； 4.不產(chǎn)生有機(jī)廢液。 缺點(diǎn)： 1.再生損失率高，達(dá)3-10%； 2.高溫下，再生爐內(nèi)內(nèi)襯料的耗量大； 3.需嚴(yán)格控制溫度和氣體條件； 4.再生設(shè)備造價(jià)高。,二、藥劑再生法 無機(jī)藥劑再生法：加入堿或酸等無機(jī)藥劑； 有機(jī)藥劑再生法：苯、丙醇及甲醇等藥劑； 再生設(shè)備和操作簡單，可在吸附塔內(nèi)進(jìn)行，但再生性能隨再生次數(shù)的增加而降低。 三、氧化再生法 濕式氧化法： 電解氧化法： 臭氧氧化法： 生物氧化法：,一、吸附操作方式 1.靜態(tài)吸附，在水不流動(dòng)的條件下進(jìn)行的吸附。 2.動(dòng)態(tài)吸附：在水流動(dòng)條件下進(jìn)行的吸附操作。 二、吸附設(shè)備 1.固定床：吸附劑固定填放在吸附設(shè)備中。 降流式：處

15、理水質(zhì)好，水頭損失大，處理懸浮物較高的廢水時(shí)易堵塞，需定期反沖洗。 升流式：可提高水流流速，使填充層適當(dāng)膨脹，達(dá)到自清的目的，運(yùn)行時(shí)間長，操作嚴(yán)格。 根據(jù)處理水量、水質(zhì)及處理要求不同分為：單床式、多床串聯(lián)式和多床并聯(lián)式。,吸附操作方式及設(shè)計(jì),2.移動(dòng)床：操作過程中定期將接近飽和的吸附劑從吸附設(shè)備中排出，并同時(shí)加入等量的吸附劑，炭層高可達(dá)5-10m。 特點(diǎn)：較固定床能更充分利用吸附劑的吸附容量，水頭損失?。晃鬯疄樯魇?，吸附劑為降流式，再生的吸附劑從塔頂加入，被截留的懸浮物隨飽和的吸附劑從塔底排出，不需反沖洗設(shè)備，操作管理要求高。 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，出水水質(zhì)好，占地面積小，操作管理方便，適于大型水

16、廠。,3.流化床：操作過程中吸附劑懸浮于在水中，處于膨脹狀態(tài)或流化狀態(tài)。 特點(diǎn)：待處理水與活性炭逆流接觸； 活性炭處于流化狀態(tài)，與水的接觸面積大，因此 用少量炭，可以處理大量的水，基建費(fèi)用低； 適于處理懸浮物較多的污水，無需進(jìn)行反沖洗； 連續(xù)進(jìn)出吸附劑，運(yùn)行操作要求嚴(yán)格； 炭層不能混層，成層向下移動(dòng)； 缺點(diǎn)：操作管理麻煩,接觸時(shí)間：活性炭床容積除以流量，或炭床厚度除以流速所得的時(shí)間。 泄漏時(shí)間：從活性炭床進(jìn)水開始到出水不符合水質(zhì)要求所經(jīng)歷的時(shí)間。 穿透曲線：在降流式固定床連續(xù)地通入待處理的廢水，以通水時(shí)間為橫坐標(biāo)，以出水中吸附質(zhì)的濃度為縱坐標(biāo)繪制的曲線，所得的從泄漏到耗竭時(shí)的一段S形曲線稱為穿

17、透曲線或泄漏曲線,泄漏（穿透）：出水濃度達(dá)到最大允許出水值時(shí)，或出水濃度為進(jìn)水濃度的5%-10%時(shí)，稱為泄漏。 耗竭（吸附終點(diǎn)）：出水濃度達(dá)到95%的進(jìn)水濃度時(shí)的點(diǎn)稱耗竭。 吸附區(qū)：原水溶質(zhì)濃度降低到出水允許濃度時(shí)所需的活性炭層高度，也指正在發(fā)生吸附作用的那段填充層。從穿透到耗竭這段時(shí)間內(nèi)，吸附帶所移動(dòng)的距離為吸附帶的長度。,吸附容量的利用： 當(dāng)吸附柱出水濃度達(dá)到穿透時(shí)，但此時(shí)吸附柱內(nèi)的吸附劑并未完全飽和，仍能吸附相當(dāng)數(shù)量的吸附質(zhì)，直至出水濃度等于Cb（吸附終點(diǎn)）為止。這部分吸附容量應(yīng)該充分利用。也即是充分利用吸附帶的吸附容量。,（1）采用多床串聯(lián)操作 IIIIII串聯(lián)運(yùn)行； IIIII串聯(lián)運(yùn)行 IIII串聯(lián)運(yùn)行。,（2）采用升流式移動(dòng)床操作 從底部排出的吸附劑都是接近飽和的，從而充分利用了吸附劑的吸附容量。,思考題,1、活性炭等溫吸附試驗(yàn)的結(jié)果可以說明哪些問題？ 2、活性炭柱的接觸時(shí)間和泄漏時(shí)間指什么，兩者有什么關(guān)系？ 3、吸附區(qū)高度對(duì)活性炭柱有何影響？如何從泄漏曲線估計(jì)該區(qū)的高度？ 4、什么叫