水質(zhì)工程學(xué)-第8章-吸附

第八章

吸

附

吸附性能與吸附過程吸附等溫線吸附速度吸附的影響因素吸附操作方式一、吸附性能與吸附過程吸附在相界面上，物質(zhì)的濃度自動發(fā)生累積或濃集的現(xiàn)象。吸附劑具有吸附能力的多孔性固體物質(zhì)。主要有活性炭、磺化煤、沸石、硅藻土、焦炭、木炭等。吸附質(zhì)水中被吸附的物質(zhì)。固—液界面上的吸附

上面二種吸附往往是相伴發(fā)生，而不能嚴格分開，是幾種吸附綜合作用的結(jié)果，可能存在以某種吸附為主。物理吸附靠分子間力產(chǎn)生的吸附，可吸附多種吸附質(zhì)，可形成多分子吸附層。吸附—解吸是可逆過程，在低溫下就能吸附?；瘜W(xué)吸附由化學(xué)鍵力引起的吸附，吸能形成單分子吸附層，并具有選擇性，同時是不可逆的，在高溫下才能吸附。分類范德華吸附

活性炭吸附劑粉末狀活性炭(PAC)：10~50μm粒狀活性炭(GAC)：粒徑2~4mm棒狀活性炭：Φ50mm，L=255mm活性炭的制造每g活性炭所具有的表面積。活性炭的比表面積為：500~1700m2/g，99.9%的表面積，在多孔結(jié)構(gòu)顆粒的內(nèi)部。細孔構(gòu)造和分布活性炭的比表面積小孔過渡孔大孔<2nm，0.15~0.90mL/g，占比表面積的95%以上，起吸附作用，吸附量以小孔吸附為主。2~100nm，0.02~0.10mL/g，占比表面積<5%，吸附量不大，起吸附作用和通道作用。100~1000nm，0.2~0.5mL/g，占比表面積很小，吸附量小，提供通道。二、吸附等溫線

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，即達到吸附平衡，此時吸附質(zhì)在溶液的濃度Ce叫平衡濃度。1.吸附平衡

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

2.吸附容量q(g/g)式中：V—水樣容積，(L)W—吸附劑（活性炭）投量，gC0—水中吸附質(zhì)濃度(g/L)

Ce—吸附平衡時水中剩余的吸附質(zhì)濃度

(g/L)

—平衡濃度

在恒定溫度下，在幾個燒杯中放入容積為V(L)溶質(zhì)濃度為C0的水樣，在各燒杯中同時投加不同質(zhì)量m(g)的吸附劑(如活性炭)，分別進行攪拌。實驗過程中，不斷測定各杯水樣中的溶質(zhì)濃度Ci，直到溶質(zhì)濃度不變時的平衡濃度Ce為止，由實驗結(jié)果可以計算出單位重量活性炭可吸附的溶質(zhì)量，即為吸附容量。3.試驗方法在一定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。q=f(C,T)，當(dāng)T不變時，即T恒定，則q=f(C)，叫吸附等溫線。

4.吸附等溫線5.吸附等溫式(三種)

Freundlich(費蘭德利希)公式BET公式Langmuir(朗格謬)公式

b和qmax是常數(shù)，qmax與表面吸附的單分子表層濃度有關(guān)系，代表了當(dāng)Ce增加時qe的最大值。Langmuir(朗格謬)公式

取倒數(shù)式：

Freundlich(費蘭德利希)公式式中：K、n——常數(shù)；

Ce——吸附質(zhì)平衡濃度（g/L）

q——吸附容量取對數(shù)：1/n越小，吸附性能越好，1/n=0.1~0.5，容易吸附；1/n>2，則難吸附。1/n較大則采用連續(xù)吸附，反之采用間歇吸附。適用于中等濃度吸附。

取倒數(shù)：BET公式可以適應(yīng)更廣泛的吸附現(xiàn)象。BET公式式中：qo—單分子吸附層的飽和吸附量，g/gCs—吸附質(zhì)的飽和濃度，g/L

B—常數(shù)C—平衡濃度，g/L

魯諾（Brunauer）、埃麥特（Emmet）和泰勒（Teller）BET公式包括了朗格謬公式：設(shè)

，且C<<Cs，則BET公式可寫成：令b=1/m，qmax=qo

吸附量q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短，q越大，再生周期越長，再生劑用量及其費用越小。q通過吸附試驗來確定?？梢愿鶕?jù)吸附容量的計算公式來求吸附質(zhì)由濃度C0降到Ce所需要投加吸附劑的量。靜態(tài)吸附試驗只能提供初步的可行性數(shù)據(jù)，不能模擬動態(tài)吸附柱系統(tǒng)，也不能反映競爭吸附。三種吸附等溫式都可用來處理實驗數(shù)據(jù)，選擇何式為好，以實驗數(shù)據(jù)擬合曲線而定。

吸附速度v決定了水和吸附劑的接觸時間，v越大，則接觸時間越短，所需設(shè)備容積就越小，反之亦然。

三、吸附速度1.概念單位：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)量吸附劑在單位時間內(nèi)所吸附的物質(zhì)量吸附階段顆粒外部擴散階段孔隙擴散階段吸附反應(yīng)階段吸附質(zhì)從溶液中擴散到吸附劑表面吸附質(zhì)在吸附劑孔隙中繼續(xù)向吸附點擴散吸附質(zhì)被吸附在吸附劑孔隙內(nèi)的吸附點表面2.吸附過程吸附速度主要取決于外部擴散速度和孔隙擴散速度。外部擴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運動速度，加強攪動孔隙擴散速度吸附劑顆粒越小，速度越快

四、吸附的影響因素1.吸附劑吸附劑的種類顆粒大小比表面積顆粒的細孔構(gòu)造與分布吸附劑是否是極性分子2.吸附質(zhì)的性質(zhì)溶解度：越低越容易吸附，具有較大的影響表面自由能：使液體表面自由能W降低得越多的吸附質(zhì)則越容易被吸附極性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)（物以類聚）吸附質(zhì)分子的大小和不飽和度吸附質(zhì)的濃度較低時，提高C可增加吸附量以后C↑，q增加很小，直至為一定值。

活性炭：易吸附分子直徑較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

3.水的pH值4.共存物質(zhì)5.溫度6.接觸時間活性炭一般在酸性溶液中比在堿性溶液中吸附效果較好。對于物理吸附，共存多種物質(zhì)時的吸附比單一物質(zhì)時的吸附要差。對于物理吸附，T高則不利，吸附量減少。應(yīng)保證吸附達到平衡時的時間，而該時間的大小取決于吸附速度V，V大則所需時間短。五、吸附操作方式活性炭柱試驗可以研究諸如流量、顆粒尺寸、吸附區(qū)高度、競爭吸附、水溫等因素對吸附的影響并作出評價。使原水與吸附劑攪拌混合，而原水沒有自上而下流過吸附劑的流動，這種吸附操作叫靜態(tài)吸附。靜態(tài)吸附原水通過吸附劑自上向下流動而進行吸附。一般是在吸附柱里完成的。動態(tài)吸附

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。1.吸附劑設(shè)備吸附劑在床中是固定的，原水自上而下流過吸附劑。固定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5%

~20%，同時從塔頂投加等量再生炭或新炭。移動床吸附劑在塔內(nèi)處于膨脹狀態(tài)。流化床2.穿透曲線指正在發(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有發(fā)生吸附作用，而在吸附帶上部的填充層已達到飽和狀態(tài)，不再起吸附作用。吸附帶/區(qū)以吸附時間或吸附柱出水總體積為橫坐標(biāo)，以出水吸附質(zhì)濃度為縱坐標(biāo)所繪制出的曲線叫穿透曲線。穿透曲線當(dāng)出水吸附質(zhì)濃度達到最大允許值(Cc為(0.05~0.10)C0)時所對應(yīng)的出水總體積或吸附時間的穿透曲線上的那一點叫穿透點或泄漏。穿透點

出水濃度Cd為(0.90~0.95)C0時所對應(yīng)的出水總體積的穿透曲線上的那一點叫吸附終點(耗竭點)。吸附終點從原水溶質(zhì)濃度降低到出水允許濃度時所需的活性炭層高度。吸附帶高度吸附速度越快，吸附帶的高度越短，活性炭層的利用率越高。可估算tc—進水到泄漏時間；td—進水到吸附柱耗竭時間；當(dāng)吸附柱出水濃度達到穿透時，但此時吸附柱內(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Cd(吸附終點)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。2.吸附容量的利用

(1)

采用多床串聯(lián)操作I—II—III串聯(lián)運行；II—III—Ⅳ串聯(lián)運行；III—Ⅳ—I串聯(lián)運行。

(2)采用升流式移動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。

3.吸附劑的再生用某種方法將被吸附的物質(zhì)，從吸附劑的細孔中除去，回復(fù)吸附性能，以達到能重復(fù)使用的目的。由脫水、干燥、炭化，活化、冷卻等5步組成。加熱再生法無機酸或NaOH，有機溶劑(苯、丙酮等)。溶劑萃取法電解氧化法，O3氧化法，濕式氧化法?；瘜W(xué)氧化法利用微生物的作用，將被活性炭吸附的有機物加以氧化分解。生物法活性炭再生技術(shù)對比

4.吸附塔的設(shè)計活性炭池的大小決定于流量、水力負荷和接觸時間，由此可得出活性炭池的容積、斷面高度和炭池數(shù)。最簡單的設(shè)計方法是應(yīng)用空床接觸時間（接觸時間）。已知原水設(shè)計流量Q(m3/h)，原水吸附質(zhì)濃度Co，出水吸附質(zhì)允許濃度Ce。吸附工作時間t—吸附柱出水達到穿透點的時間，線速度查圖得出K、No、ho

(2)活性炭每年更換次數(shù)n(吸附劑再生次數(shù))(3)活性炭年消耗量W(4)吸附質(zhì)年去除量G(kg/a)

(5)吸附效率E式中：No——達到飽和時吸附劑的吸附量，kg/m3；h——炭層高度；

ho——臨界高度。則：5.吸附法在原水處理中的應(yīng)用活性炭對有機物的吸附對無機物的吸附廢水吸附法處理實例特別適合于難降解的有機物和用一般方法難以去除的溶解性有機物，用吸附實驗確定去除率?；钚蕴繉饘倬哂泻軓姷奈侥芰ΑＨ玖匣U水處理。鐵路貨車洗刷廢水處理。火藥(TNT)化工廢水處理。活性炭吸附的優(yōu)點處理程度高應(yīng)用范圍廣適應(yīng)性強具有吸附作用，生物降解作用設(shè)備緊湊、管理方便可回收有用物質(zhì)粒狀炭可再生重復(fù)使用6.生物活性炭(BAC)臭氧、活性炭吸附，用于深度處理。特點臭氧的作用完成生物硝化作用將溶解有機物進行氧化增加水中的溶解氧濾前加臭氧，防止藻類繁殖將不易生物降解的轉(zhuǎn)化為易于降解的將分子量高的氧化為分子量低的思考題1.活性炭等溫吸附試驗的結(jié)果可以說明哪些問題？2.活性炭柱的接觸時間和泄漏時間指什么，兩者有什么關(guān)系？3.吸附區(qū)高度對活性炭柱有何影響？如何從泄漏曲線估計該區(qū)的高度？4.什么叫生物活性炭法，有什么特點？5.什么物質(zhì)易被活性炭吸附？什么物質(zhì)難于被吸附？6.在做靜態(tài)吸附實驗時，當(dāng)吸附劑與吸附質(zhì)達到吸附平衡時(此時吸附劑未飽和)，再往原水中投加吸附質(zhì)，請問吸附平衡是否被打破？吸附劑吸附是否有變化？7.何謂吸附等溫線？常見的吸附等溫線有哪幾種類型？吸附等溫式有哪幾種形式及應(yīng)用場合如何？8.何謂吸附帶與穿透曲線？吸附帶的吸附容量如何利用？9.如何繪制動態(tài)吸附的穿透曲線？它能