活性炭吸附工藝課件

1、活性炭吸附,吸附：在相界面上，物質(zhì)的濃度自動發(fā)生累積或濃集的現(xiàn)象。分為物理吸附和化學吸附。 物理吸附：吸附劑和吸附質(zhì)之間通過分子間力產(chǎn)生的吸附。 化學吸附：吸附劑和吸附質(zhì)之間發(fā)生化學作用，由于化學鍵力引起的。 廢水處理中常用的吸附劑有活性炭，磺化煤、活化酶、沸石、活性白土、硅藻土、焦炭、木炭、木屑等,活性炭吸附,一 活性炭的性質(zhì) 1.活性炭的制造 活性炭是以含碳為主的物質(zhì)（如木材、煤）作原料，經(jīng)高溫碳化和活化而制成的疏水性吸附劑，外觀呈黑色。碳化是把原料熱解成炭渣，生成類似石墨的多環(huán)芳香系物質(zhì)，活化是把熱解的炭渣成為多孔結(jié)構(gòu)。 2.活性炭的細孔構(gòu)造和分布 活性炭的表面布滿微細的小孔，根據(jù)孔徑的

2、大小，可分為小孔（半徑在2nm以下）、大孔（半徑介于1001000nm之間）過渡孔（半徑為2100nm,比表面積：每克吸附劑所具有的表面積?；钚蕴康谋缺砻娣e可達 5001700m2/g，其中小孔占95%。 使活性炭具有吸附功能的是小孔，大孔的作用是將溶液導入，使其進入小孔的吸附功能區(qū)。 3.活性炭的表面化學性質(zhì) 活性炭是由形狀扁平的石墨型微晶體構(gòu)成的。處于微晶體邊緣的碳原子，由于共價鍵不飽和而易與其他元素如氧、氫等結(jié)合形成各種含氧官能團，使活性炭具有一些活性。已證實的有-OH基、-COOH基等,二 吸附等溫線 平衡濃度：當吸附速度和解吸速度相等時，即單位時間內(nèi)吸附的數(shù)量等于解吸的數(shù)量時，則吸附

3、質(zhì)在溶液中的濃度和吸附劑表面的濃度都不再改變而達到平衡。此時吸附質(zhì)在溶液中的濃度成為平衡濃度,吸附等溫線：在溫度一定的條件下，吸附量隨吸附質(zhì)平衡濃度的提高而增加。把吸附量隨平衡濃度而變化的曲線稱為吸附等溫線。 由于液相的復雜，沒有統(tǒng)一的吸附理論 因此沿用氣相吸附等溫線,表示I型等溫式有浪繆爾公式和費蘭德利希公式，表示II型吸附等溫式有BET公式。 （1）朗繆爾公式從動力學觀點出發(fā)，通過一些假設(shè)條件而推導的單分子公式 q=abC/(1+aC) 式中a,b為常數(shù) C為吸附平衡時水中剩余的吸附質(zhì)濃度g/L。 為計算方便，將上式改為導數(shù)式，即： 從上式可看出， 與 成直線關(guān)系， 利用這種關(guān)系可以求a，

4、b的值,2)BET公式 BET公式表示吸附劑上有多層溶質(zhì)分子被吸附的吸附模式，各層的吸附符合朗繆爾單分字公式。公式為 式中 q0單分子吸附層的飽和吸附量，g/g Cs吸附質(zhì)的飽和濃度，g/L B常數(shù),3）費蘭德利希經(jīng)驗公式 q=KCI/n 式中q吸附量 C吸附平衡濃度g/L; K,n常數(shù)。 將上式改寫成對數(shù)式：lgq=lgK+(1/n)lgC 把C和與其對應的q點繪在雙對數(shù)坐標紙上，便得到一條近似的直線。這條子線截距為K，斜率為1/n。1/n越小，吸附性能越好。一般認為 1/n=0.10.5時，容易吸附；1/n大于2時，則難以吸附,三 吸附速度 1.吸附速度：單位重量的吸附劑在單位時間內(nèi)所吸附

5、的物質(zhì)的量。 吸附過程可分為3個階段：膜擴散階段，內(nèi)部擴撒階段，吸附反應階段。因吸附反應階段很快，所以吸附速度主要由前兩階段來控制。 2.影響因素 （1）吸附劑的性質(zhì)：吸附劑的比表面積越大，吸附能力越強。 （2）吸附質(zhì)的性質(zhì) a溶解度 :溶解度越低，越容易被吸附。 b表面自由能 :表面自由能降低的越多，越容易吸附。 c極性 d吸附分子的大小和不飽和度 e吸附質(zhì)的濃度,3)廢水的pH值 活性炭一般在酸性溶液中比在堿性溶液中有較高的吸附率。另外pH對吸附質(zhì)的的存在狀態(tài)及溶解度有影響，從而影響 吸附效果。 （4）共存物質(zhì) （5）溫度 吸附過程是放熱過程，溫度升高吸附量減少，反之增加。溫度對氣相影響較

6、大，對液相影響較小。 （6）接觸時間 應保證吸附質(zhì)與吸附劑有一定的接觸時間，使吸附接近平衡,四 吸附的操作方式 靜態(tài)：在廢水不流動的條件下，進行吸附操作 動態(tài)：在廢水流動的條件下進行的吸附操作。 廢水處理中常用的動態(tài)設(shè)備有固定化床移動化床和流化床。 1.固定床 當廢水連續(xù)通過填充吸附劑的吸附設(shè)備時，廢水中的吸附質(zhì)便被吸附劑吸附。若吸附劑數(shù)量足夠時，從吸附設(shè)備流出的廢水中的吸附質(zhì)的濃度可以降低為零。吸附劑使用一段時間后，出水中的吸附質(zhì)的濃度降低到零。吸附劑使用一段時間后，出水中的吸附質(zhì)的濃度逐漸增加，增加到某一數(shù)值時，應停止通水，將吸附劑進行再生，吸附和再生可在同一設(shè)備內(nèi)交替進行，也可將失效的吸

7、附劑卸出，送到再生設(shè)備中進行,降流式固定床型吸附塔示意圖,2）移動床 原水從吸附塔底部流入和吸附劑進行逆流接觸，處理后的水從塔頂流出，再生后的吸附劑從塔頂加入，接近吸附飽和的吸附劑從塔底間歇的排除,五 活性炭柱試驗 炭柱在未出現(xiàn)出水泄漏之前存在三個區(qū)：失效區(qū)、吸附區(qū)和未利用區(qū)，隨著過濾的進行，吸附區(qū)保持固定的高度向下推移。 泄漏曲線的形狀與進水水質(zhì)、濾速及炭床高度有關(guān)，當v、L、一定時，污染物不同或炭的種類不同，曲線的斜率及泄漏時間隨之變化，此外，出水水質(zhì)要求越高，泄漏時間越早。 設(shè)吸附區(qū)向前推進的速度為u，于是有： L = tdu Z=（td tc）u由上兩式吸附區(qū)的厚度可按下式計算： Z

8、= L（1 tc/td）式中， tc和td分別是炭床開始泄漏和枯竭的時間，L是炭床厚度,濾速越大，或者炭粒徑越大，則Z值 越大，炭床利用率越低；增大床厚度 或減小濾速可增加接觸時間（L/v）， 減小Z，延長tc，提高炭床利用率,六 吸附劑的再生 再生：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，用某種方法將被吸附的物質(zhì)，從吸附劑的細孔中出去，已達到重復使用的目的。 加熱再生法 活性炭再生主要方法 藥劑再生法 化學氧化法 生物法,低溫 （1）加熱再生法 高溫 高溫加熱法：脫水干燥碳化活化冷卻 脫水：使活性炭和輸送液體進行分離。 干燥：加溫到100150 ,將細孔中的水分蒸發(fā)，同時揮發(fā)低沸 點有機

9、物。 碳化：加熱到 300700 ，高沸點有機物由于熱分解，一部分成為低沸點的有機物進行揮發(fā)；另一部分碳化，留在活性炭的細孔中。 活化：將碳化的殘渣進行活化，達到重新鑿孔的目的。 冷卻：活化后用水急劇冷卻，防止氧化,高溫加熱再生法的優(yōu)缺點 優(yōu)點：a所有有機物都可采用此法 b再生炭質(zhì)量均勻 c再生時間短 d不產(chǎn)生有機再生廢液 缺點：a再生損失率高 b高溫材料耗量大 c需嚴格控制溫度和氣體條件 d再生設(shè)備造價高,無機藥劑再生：用無機酸或堿等使吸附在活 （2）藥劑再生法 性炭上的污染物脫附。 有機溶劑再生：用苯、丙酮及甲醇等有機 溶劑萃取吸附在活性炭上 的有機物。 特點：可在吸附塔內(nèi)進行，設(shè)備和操作

10、管理簡單，單藥劑的再生一般隨再生次數(shù)的增加，吸附性能明顯降低，需補充新炭，廢棄一部分飽和炭,濕式氧化法 ：飽和炭用高壓泵經(jīng)熱換器和水加 熱器送入氧化反應塔進行氧化分解。 化學氧化法 電解氧化法：將炭作陽極，進行水的電解，在 在活性炭表面產(chǎn)生的氧氣把吸附質(zhì)氧化分解。 臭氧氧化法：利用臭氧把活性炭上的有機物分 解。 生物法：利用微生物的作用，將被活性炭吸附的有機物加以氧化 氧化分解,七 活性炭吸附法在廢水處理中利用 （1）活性炭對有機物的吸附 活性吸附法多用于去除用生物或物理、化學法不能去除的微量呈溶解狀態(tài)的有機物。但一些有機物易吸附，一些有機物難以吸附，能否采用活性炭吸附法，應通過吸附試驗來決定

11、。 （2)能否易被活性炭吸附的幾個因素 1）分子結(jié)構(gòu) 芳香族化合物比一般脂肪族容易被吸附。 2）界面張力 越使液面張力減少的物質(zhì)樂毅被吸附,3）溶解度 活性炭是疏水物質(zhì)，因此吸附物質(zhì)的疏水性越強 越易被吸附 4）離子性和極性 在有機酸和胺類中，有的溶于水后呈弱酸性或弱堿性。這類有機物處于非離解的分子狀態(tài)時要比離子化狀態(tài)時的吸附量大 5)分子大小 分子量越大，吸附性越強。 6)pH 將廢水的pH值降低到23，再進行吸附，通常能增加有機物的去除率，因為廢水中的有機酸形成離子的比例較小，故吸附量大,7）濃度 一般有機物濃度增加，吸附量即呈指數(shù)增加。 8) 溫度 一般溫度可忽略 9）共存物質(zhì) 有些金屬

12、離子的如汞、鉻酸、鐵等在活性炭表面將 發(fā)生氧化還原反應，生成物沉淀在顆粒內(nèi)，妨礙吸附。 （2）活性炭對無機物的吸附 活性炭對無機物的吸附雖研究的較少，但證實活性炭對某些金屬及其化合物有很強的吸附能力。如對銻、錫、汞、鉛、鎳、六價鉻等具有良好的吸附能力,八 活性炭吸附組合工藝 活性炭吸附技術(shù)能夠有效去除水中污染物，但其制水成本相 對較高，而且其微孔結(jié)構(gòu)不利于大分子有機污染物的去除，其廣 泛應用受到了一定的限制。因此，活性炭吸附與其他水處理技術(shù) 的聯(lián)合應用，往往能夠產(chǎn)生更好的處理效果。下面將介紹幾種常 見的活性炭吸附組合工藝,1）臭氧 - 活性炭組合工藝 臭氧作為強氧化劑，能使水中大分子有機物分解

13、為小分子有 機物，提高有機物進入活性炭微孔內(nèi)部的可能性，充分發(fā)揮活性炭的吸附表面，延長活性炭的使用周期。同時臭氧還發(fā)揮了活性 炭所不具備的殺菌作用。而活性炭則能有效吸附臭氧在氧化過程 中產(chǎn)生的大量中間產(chǎn)物，包括解決臭氧無法去除的三鹵甲烷及其 前驅(qū)物質(zhì)，并保證了后出水的生物穩(wěn)定性。因此，臭氧-活性 炭組合工藝自 1961 年開始使用以來，在世界發(fā)達國家得到了廣泛 應用,2）高錳酸鉀 - 活性炭組合工藝 高錳酸鉀也是強氧化劑，能降解有機物、抑制藻類生長，隨 著投加量的增加和接觸時間的延長，其水處理效果較為理想。而 粉末活性炭對水中小分子有機物 ( 分子量 3000) 有很好的吸附作 用，有利于凈水

14、過程中去除色味。故常將兩者組合用于常規(guī)凈水 工藝流程中,3）生物活性炭法 生物活性炭技術(shù)是以粒狀活性炭為載體，通過富集或人工固 化微生物，在活性炭表面形成生物膜，利用活性炭的吸附作用和 生物膜的生物降解作用共同去除水中污染物 8。與普通生物法相 比，在相同的 HRT 下污染物停留時間更長，因而處理效果更好。 同時，微生物的降解也能使活性炭再生，再生率高達 20左右。 而活性炭也可減輕廢水中有害物質(zhì)對微生物的影響，從而消除微 生物降解的不利影響。但是，在使用該技術(shù)進行飲用水深度處理 時應避免預氯化處理，否則微生物不能在活性炭上生長,4）粉末活性炭 - 活性污泥組合工藝 該工藝是將粉末活性炭投加到

15、活性污泥曝氣池中，形成生物 活性炭，利用吸附、降解協(xié)同作用去除有機污染物。它一方面可 去除活性污泥法難以去除的有機物，提高活性污泥的去除效率； 另一方面使活性污泥具有優(yōu)良的壓密性，從而克服了污泥膨脹,4）活性炭 - 超濾組合工藝 超濾膜過濾工藝的顯著優(yōu)點是能有效去除水中的病原菌，但 其棘手的問題是膜阻塞和膜污染?；钚蕴?- 超濾膜組合工藝克 服了單一處理方法的弱點：在組合工藝中，利用活性炭對進水前 處理，能夠去除各類有機化合物、水中大部分的濁度和色度，這 為后續(xù)膜過濾提供了保障，從而緩解膜阻塞和膜污染問題，延長 膜的使用壽命；用膜進行后處理則能有效解決出水中的細菌問題， 保障出水水質(zhì),5）活性

16、炭電解法 活性炭電解法是利用活性炭的導電性將其作為電極，先使活 性炭吸附污染物，再通過其電解作用進行氧化降解以去除水中雜 質(zhì)，是絮凝反應與自由基反應相結(jié)合的過程?；钚蕴康膹娢侥?力能大大提高氧化性產(chǎn)物的利用效率，在相同條件下，活性炭固 定床電解槽與普通電解槽相比，可節(jié)省電耗 30 40,活性炭吸附在水處理應用中主要具有如下優(yōu)點： （1）活性炭對水中污染物有卓越的吸附能力，對用生物法和 其他方法難以去除的有機污染物和重金屬有較好的吸附去除效果； （2）活性炭對水質(zhì)、水溫及水量變化具有較強的抗沖擊負荷 能力，因而易于控制與管理； （3）活性炭吸附的“貴重”有機污染物和重金屬易于回收利 用，且活性炭本身也能脫附再生,九 活性炭吸附的應用與研究展望 活性炭可以吸附水中眾多的金屬離子和有機物，但在一 定條件下對特定的有機物的吸附量很小?；钚蕴績?yōu)良的吸附 性能源自于其巨大的表面積、發(fā)達的內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)和豐富的 表面官能團。從吸附模式上講，Langmuir 和 Freundlich 模 式對于金屬離子和有機物都是經(jīng)典的經(jīng)驗模式，對于金屬離 子表面絡(luò)合模式更能表示變化條件下的吸附行為。但是所有 的吸附模式都是特定條件下的模擬，不具備實際的