水質(zhì)工程學(xué)-第十章-吸附說(shuō)課講解

1、水質(zhì)工程學(xué)-第十章-吸附 10.1.3吸附劑吸附劑主要有活性炭、磺化煤、沸石、硅藻土、焦炭、主要有活性炭、磺化煤、沸石、硅藻土、焦炭、木炭等木炭等。1、活性炭的制造、活性炭的制造 高溫炭化高溫炭化 活化活化,800900木材、煤、果殼木材、煤、果殼 炭渣炭渣 活性炭活性炭 隔絕空氣，隔絕空氣，600 活化劑：活化劑：ZnCl2 蒸汽高溫活化蒸汽高溫活化 粉末狀活性炭粉末狀活性炭 粒狀活性炭（園柱狀、球狀），粒徑粒狀活性炭（園柱狀、球狀），粒徑24mm 棒狀活性炭：棒狀活性炭：50mm，L=255mm 2.活性炭的細(xì)孔構(gòu)造和分布活性炭的細(xì)孔構(gòu)造和分布 1.比表面積比表面積 每每g活性炭所具有的表

2、面積?；钚蕴康幕钚蕴克哂械谋砻娣e?；钚蕴康谋缺砻娣e為：比表面積為：5001700m5001700m2 2/g/g，99.9%99.9%的表面的表面積，在多孔結(jié)構(gòu)顆粒的內(nèi)部。積，在多孔結(jié)構(gòu)顆粒的內(nèi)部。 2.2.細(xì)孔構(gòu)造細(xì)孔構(gòu)造 小孔：小孔：2nm2nm，0.150.90mL/g0.150.90mL/g，占比表面，占比表面積的積的95%95%以上，起吸附作用，吸附量以小孔以上，起吸附作用，吸附量以小孔吸附為主。吸附為主。 過(guò)渡孔：過(guò)渡孔：2 2100nm100nm，0.020.020.10mL/g0.10mL/g，占，占比表面積比表面積5%2，則難吸附。，則難吸附。1/n較大則采用連續(xù)吸較大則采

3、用連續(xù)吸附，反之采用間歇吸附。附，反之采用間歇吸附。 CnKqlg/ 1lglg 3. .BET公式（多層吸附）公式（多層吸附） （10-6）式中式中:qo單分子吸附層的飽和吸附量單分子吸附層的飽和吸附量,g/gCs吸附質(zhì)的飽和濃度吸附質(zhì)的飽和濃度,g/L B常數(shù)；常數(shù)；C平衡濃度，平衡濃度，g/L SsCCBCCBCqq/) 1(1)(0 取倒數(shù)：取倒數(shù)： (10(107)7)BETBET公式包括了朗謬爾公式：公式包括了朗謬爾公式： 設(shè)設(shè) ， 且且CCCCs s，則，則BETBET公式可寫(xiě)成：公式可寫(xiě)成：令令a=1/ma=1/m，b=qb=qo o 朗謬爾式朗謬爾式 SSCCBqBBqqCC

4、C 0011)(mCBsmCCqmSCCmCSCCqmSCSCCmSCCSCCqmSCq/10/1)/(10/1)/(1)(0/ acabcq 1 BET公式可以適應(yīng)更廣泛的吸附現(xiàn)象。公式可以適應(yīng)更廣泛的吸附現(xiàn)象。吸附量吸附量q是選擇吸附劑和吸附設(shè)備的重要是選擇吸附劑和吸附設(shè)備的重要參數(shù)，參數(shù)，q決定吸附劑再生周期的長(zhǎng)短，決定吸附劑再生周期的長(zhǎng)短，q越大，再生周期越長(zhǎng)，再生劑用量及其越大，再生周期越長(zhǎng)，再生劑用量及其費(fèi)用越小。費(fèi)用越小。q通過(guò)吸附試驗(yàn)來(lái)確定。通過(guò)吸附試驗(yàn)來(lái)確定。 10.2.2 吸附速度吸附速度 , 單位單位: 吸附速度吸附速度V決定了廢水和吸附劑的接決定了廢水和吸附劑的接觸時(shí)間

5、，觸時(shí)間，V越大，則接觸時(shí)間越短，所需越大，則接觸時(shí)間越短，所需設(shè)備容積就越小，反之亦然。設(shè)備容積就越小，反之亦然。 tqV/ min)/( gg 吸附過(guò)程一般分為吸附過(guò)程一般分為3個(gè)階段：個(gè)階段： 1.液膜擴(kuò)散（顆粒外部擴(kuò)散）階段液膜擴(kuò)散（顆粒外部擴(kuò)散）階段 2.顆粒內(nèi)部擴(kuò)散階段顆粒內(nèi)部擴(kuò)散階段 3.吸附反應(yīng)階段：吸附質(zhì)被吸附在細(xì)孔內(nèi)吸附反應(yīng)階段：吸附質(zhì)被吸附在細(xì)孔內(nèi)表面上。表面上。 吸附反應(yīng)速度非常快，吸附反應(yīng)速度非?？?，V主要取決于第主要取決于第I、II階段速度，而顆粒外部擴(kuò)散速度（液階段速度，而顆粒外部擴(kuò)散速度（液膜擴(kuò)散）膜擴(kuò)散）U=f(c、d、攪動(dòng)、攪動(dòng)) 溶液濃度溶液濃度C，則，則

6、U 顆粒直徑顆粒直徑d，則，則U 加強(qiáng)攪動(dòng)，則加強(qiáng)攪動(dòng)，則U 而顆粒內(nèi)部擴(kuò)散速度而顆粒內(nèi)部擴(kuò)散速度V=f（細(xì)孔大小與（細(xì)孔大小與構(gòu)造，吸附質(zhì)的構(gòu)造，吸附質(zhì)的d）吸附劑顆粒直徑吸附劑顆粒直徑d，V。 d的大小對(duì)內(nèi)、外部擴(kuò)散都有很大影響，的大小對(duì)內(nèi)、外部擴(kuò)散都有很大影響，d,V。所以，粉末狀活性炭比粒狀活。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)性炭的吸附速度要快，接觸時(shí)間短，設(shè)備容積小。備容積小。 10.2.3 吸附的影響因素吸附的影響因素1.吸附劑的性質(zhì)：吸附劑的種類(lèi)、顆粒大吸附劑的性質(zhì)：吸附劑的種類(lèi)、顆粒大小、比表面積，顆粒的細(xì)孔構(gòu)造與分布、小、比表面積，顆粒的細(xì)孔構(gòu)造與

7、分布、吸附劑是否是極性分子等。吸附劑是否是極性分子等。2.吸附質(zhì)的性質(zhì)：吸附質(zhì)的性質(zhì)：（1）溶解度：越低越容易吸附，具有較大）溶解度：越低越容易吸附，具有較大的影響。的影響。（2）使液體表面自由能）使液體表面自由能W降低得越多的吸降低得越多的吸附質(zhì)則越容易被吸附。附質(zhì)則越容易被吸附。 （3）極性：）極性：極性吸附劑易吸附極性的吸附質(zhì)極性吸附劑易吸附極性的吸附質(zhì)。 （物以類(lèi)聚）（物以類(lèi)聚）非極性吸附劑易吸附非極性的吸附質(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。）吸附質(zhì)分子的大小和不飽和度?；钚蕴浚阂孜椒肿又睆捷^大的飽和化合物活性炭：易吸附分子直徑較大的飽和化合物合

8、成沸石：易吸附分子直徑小的不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）吸附質(zhì)的濃度較低時(shí)，提高C可增加吸附量?？稍黾游搅?。以后以后C，q增加很小，直至為一定值。增加很小，直至為一定值。 3.廢水的廢水的PH值值 活性炭一般在酸性溶液中比在堿性溶液活性炭一般在酸性溶液中比在堿性溶液中吸附效果較好。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。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，溫度：對(duì)于物理吸附，T高則不利，吸附高則不利，吸附量減少。量減少。6.接觸時(shí)間：應(yīng)

9、保證吸附達(dá)到平衡時(shí)的時(shí)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。大則所需時(shí)間短。10.3 吸附操作方式吸附操作方式10.3.1 靜態(tài)吸附靜態(tài)吸附 使廢水與吸附劑攪拌混合，而廢水沒(méi)有使廢水與吸附劑攪拌混合，而廢水沒(méi)有自上而下流過(guò)吸附劑的流動(dòng)，這種吸附自上而下流過(guò)吸附劑的流動(dòng)，這種吸附操作叫靜態(tài)吸附。操作叫靜態(tài)吸附。10.3.2動(dòng)態(tài)吸附動(dòng)態(tài)吸附 廢水通過(guò)吸附劑自上向下流動(dòng)而進(jìn)行吸廢水通過(guò)吸附劑自上向下流動(dòng)而進(jìn)行吸附。附。 1.吸附設(shè)備吸附設(shè)備（1）固定床：吸附劑在床中是固定的，廢）固定床：吸附劑在床中是固定的，廢水自上而

10、下流過(guò)吸附劑。水自上而下流過(guò)吸附劑。 單床式、多床串聯(lián)式、多床并聯(lián)式。單床式、多床串聯(lián)式、多床并聯(lián)式。 按水流方向又可分：升流式與降流式。按水流方向又可分：升流式與降流式。（2）移動(dòng)床：接近飽和的吸附劑從塔底間）移動(dòng)床：接近飽和的吸附劑從塔底間歇排出，每次卸出總填充量的（歇排出，每次卸出總填充量的（520）%，同時(shí)從塔頂投加等量再生炭或新炭。，同時(shí)從塔頂投加等量再生炭或新炭。（3）流化床：吸附劑在塔內(nèi)處于膨脹狀態(tài)。）流化床：吸附劑在塔內(nèi)處于膨脹狀態(tài)。 2.穿透曲線(xiàn)穿透曲線(xiàn)（1）吸附帶：指正在發(fā)生吸附作用的那段）吸附帶：指正在發(fā)生吸附作用的那段填充層，在吸附帶下部的填充層幾乎沒(méi)填充層，在吸附帶下

11、部的填充層幾乎沒(méi)有發(fā)生吸附作用，而在吸附帶上部的填有發(fā)生吸附作用，而在吸附帶上部的填充層已達(dá)到飽和狀態(tài)，不再起吸附作用。充層已達(dá)到飽和狀態(tài)，不再起吸附作用。（2）穿透曲線(xiàn)：以吸附時(shí)間或吸附柱出水）穿透曲線(xiàn)：以吸附時(shí)間或吸附柱出水總體積為橫坐標(biāo)，以出水吸附質(zhì)濃度為總體積為橫坐標(biāo)，以出水吸附質(zhì)濃度為縱坐標(biāo)所繪制出的曲線(xiàn)叫穿透曲線(xiàn)。縱坐標(biāo)所繪制出的曲線(xiàn)叫穿透曲線(xiàn)。（3）穿透點(diǎn)：當(dāng)出水吸附質(zhì)濃度）穿透點(diǎn)：當(dāng)出水吸附質(zhì)濃度Ca為為(0.050.10)Co時(shí)所對(duì)應(yīng)的出水總體積或時(shí)所對(duì)應(yīng)的出水總體積或吸附時(shí)間的穿透曲線(xiàn)上的那一點(diǎn)叫穿透吸附時(shí)間的穿透曲線(xiàn)上的那一點(diǎn)叫穿透點(diǎn)。點(diǎn)。 （4）吸附終點(diǎn)：出水濃度）吸附

12、終點(diǎn)：出水濃度Cb為為(0.900.95)Co時(shí)所對(duì)應(yīng)的出水總體積的時(shí)所對(duì)應(yīng)的出水總體積的穿透曲線(xiàn)上的那一點(diǎn)叫吸附終點(diǎn)（耗竭穿透曲線(xiàn)上的那一點(diǎn)叫吸附終點(diǎn)（耗竭點(diǎn)）。點(diǎn)）。（5）吸附帶長(zhǎng)度）吸附帶長(zhǎng)度：從：從ta到到tb的的t時(shí)間內(nèi)，時(shí)間內(nèi)，吸附帶所移動(dòng)的距離叫吸附帶長(zhǎng)度吸附帶所移動(dòng)的距離叫吸附帶長(zhǎng)度（6）吸附帶的移動(dòng)速度）吸附帶的移動(dòng)速度V吸附帶吸附帶=/ t 1，上式等號(hào)右邊括號(hào)內(nèi)的，上式等號(hào)右邊括號(hào)內(nèi)的1可忽可忽略不計(jì)，則工作時(shí)間略不計(jì)，則工作時(shí)間t： （10-9） 臨界高度臨界高度ho：當(dāng)：當(dāng)t=0時(shí)，保證出水吸附質(zhì)濃度時(shí)，保證出水吸附質(zhì)濃度C不超過(guò)不超過(guò)Ca（穿透濃度）時(shí)的吸附劑層的理

13、論高（穿透濃度）時(shí)的吸附劑層的理論高度度 （10-10） ho即吸附帶高度，即吸附帶高度，ho吸附反應(yīng)越快。吸附反應(yīng)越快。 VhKN/exp0 1/ln10000 eCCKChVCNt 1/ln000 eCCKNVh 2.模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)求臨界高度求臨界高度ho進(jìn) 水C0取 樣 口231出 水C0圖 1 0 - 4 活 性 炭 炭 柱 （ 模 型 試 驗(yàn) ） 截距：截距： ； ； ； 線(xiàn)速度（m/h）；以不同的V進(jìn)行上述試驗(yàn)，將不同V時(shí)的No、K、ho作圖，可分別得出KV、NoV、hoV三條曲線(xiàn)。圖 10-5 t對(duì)h的圖解截距l(xiāng)n( )-1/KC0C0Ceth斜率N0C0V212hhh 321

14、3hhhh 11hh 1/ln/100 eCCKC 圖 10-6 K、N0h0對(duì)V的圖解0VN0Kh0N0h0K 3.吸附塔設(shè)計(jì)吸附塔設(shè)計(jì) 已知廢水設(shè)計(jì)流量已知廢水設(shè)計(jì)流量Q（m3/h），原水吸附質(zhì)濃），原水吸附質(zhì)濃度度Co，出水吸附質(zhì)允許濃度，出水吸附質(zhì)允許濃度Ce。（1）吸附工作時(shí)間）吸附工作時(shí)間t吸附柱出水達(dá)到穿透點(diǎn)吸附柱出水達(dá)到穿透點(diǎn)的時(shí)間，線(xiàn)速度的時(shí)間，線(xiàn)速度 （m/h）查圖得出）查圖得出K、No、ho （小時(shí)）（小時(shí)）（10-11） 24DQV 1/ln100000 eCCKChVCNt （2）活性炭每年更換次數(shù)）活性炭每年更換次數(shù)n（吸附劑再生次數(shù)）（吸附劑再生次數(shù)） （次（次/

15、a）（）（10-12）（3）活性炭年消耗量）活性炭年消耗量W （m3/a） （10-13）（4）吸附質(zhì)年去除量）吸附質(zhì)年去除量G（kg/a）：）：，Co、Ce均以均以mg/L為單位為單位(kg/a) （10-14） tn24365 nhDW 42 )(8760hnt 10000eCCnQtG )(76.80eCCQG (5)吸附效率吸附效率E（10-15）式中：式中： No達(dá)到飽和時(shí)吸附劑的吸附量，（達(dá)到飽和時(shí)吸附劑的吸附量，（kg/m3）h炭層高度；炭層高度； ho臨界高度臨界高度則則 ：（10-16） %1000 GGE4200hnDNG %1000 hhhE 10.4.2 通水倍數(shù)法通水

16、倍數(shù)法 按穿透時(shí)每按穿透時(shí)每kg吸附劑所通過(guò)的廢水的體吸附劑所通過(guò)的廢水的體積（積（m3）計(jì)算。）計(jì)算。10.4.3 吸附法在廢水處理中的應(yīng)用吸附法在廢水處理中的應(yīng)用1.活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附 特別適合于難降解的有機(jī)物和用一般方特別適合于難降解的有機(jī)物和用一般方法難以去除的溶解性有機(jī)物法難以去除的溶解性有機(jī)物用吸附用吸附實(shí)驗(yàn)確定去除率。實(shí)驗(yàn)確定去除率。 2. 對(duì)無(wú)機(jī)物的吸附對(duì)無(wú)機(jī)物的吸附 活性炭對(duì)金屬具有很強(qiáng)的吸附能力?；钚蕴繉?duì)金屬具有很強(qiáng)的吸附能力。3. 廢水吸附法處理實(shí)例。廢水吸附法處理實(shí)例。（1）染料化工廢水處理。）染料化工廢水處理。（2）鐵路貨車(chē)洗刷廢水處理。）鐵路貨

17、車(chē)洗刷廢水處理。（3）火藥（）火藥（TNT）化工廢水處理。）化工廢水處理。思考題思考題1、活性炭等溫吸附試驗(yàn)的結(jié)果可以說(shuō)明哪、活性炭等溫吸附試驗(yàn)的結(jié)果可以說(shuō)明哪些問(wèn)題？些問(wèn)題？2、活性炭柱的接觸時(shí)間和泄漏時(shí)間指什么，、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？?jī)烧哂惺裁搓P(guān)系？3、吸附區(qū)高度對(duì)活性炭柱有何影響？如何、吸附區(qū)高度對(duì)活性炭柱有何影響？如何從泄漏曲線(xiàn)估計(jì)該區(qū)的高度？從泄漏曲線(xiàn)估計(jì)該區(qū)的高度？4、什么叫生物活性炭法，有什么特點(diǎn)？、什么叫生物活性炭法，有什么特點(diǎn)？5、什么物質(zhì)易為活性炭吸附？什么物質(zhì)難、什么物質(zhì)易為活性炭吸附？什么物質(zhì)難于被吸附？于被吸附？習(xí)習(xí) 題題1、在做靜態(tài)吸

18、附實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)吸附劑與吸附質(zhì)達(dá)、在做靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)吸附劑與吸附質(zhì)達(dá)到吸附平衡時(shí)（此時(shí)吸附劑未飽和），再往廢到吸附平衡時(shí)（此時(shí)吸附劑未飽和），再往廢水中投加吸附質(zhì)，請(qǐng)問(wèn)吸附平衡是否被打破？水中投加吸附質(zhì)，請(qǐng)問(wèn)吸附平衡是否被打破？吸附劑吸附是否有變化？吸附劑吸附是否有變化？2、何謂吸附等溫線(xiàn)？常見(jiàn)的吸附等溫線(xiàn)有哪幾、何謂吸附等溫線(xiàn)？常見(jiàn)的吸附等溫線(xiàn)有哪幾種類(lèi)型？吸附等溫式有哪幾種形式及應(yīng)用場(chǎng)合種類(lèi)型？吸附等溫式有哪幾種形式及應(yīng)用場(chǎng)合如何？如何？3、何謂吸附帶與穿透曲線(xiàn)？吸附帶的吸附容量、何謂吸附帶與穿透曲線(xiàn)？吸附帶的吸附容量如何利用？如何利用？4、如何繪制動(dòng)態(tài)吸附的穿透曲線(xiàn)？它能為設(shè)計(jì)、如何繪制動(dòng)態(tài)吸附的穿透曲線(xiàn)？它能為設(shè)計(jì)提供什么資料？提供什么資料？ 5、活性炭吸附試驗(yàn)結(jié)果如下、活