活性炭吸附

电厂废水及治理1电厂废水及治理24.1吸附的基本理论4.1.1吸附现象及类型4.1.2吸附剂4.1.3吸附平衡与吸附等温式4.1.4影响吸附平衡的因素电厂废水及治理34.1.1吸附现象及类型1.吸附的定义在相界面上,物质的浓度自动发生积累或浓集的现象称为吸附吸附剂具有吸附能力的多孔性固体物质称为吸附剂吸附质被吸附的物质称为吸附质吸附的类型(吸附剂表面吸附能力的不同)物理吸附范德华力化学吸附化学键电厂废水及治理42.原理：吸附剂表面上的分子受力不均衡→存在剩余力场（即具有表面能）。根据热力学第二定律，这种能力有自动变小的趋势。当溶液中的吸附质→达到吸附剂表面时，致使界面上的分子受力变得均衡一些，从而降低了这种表面能。这就是吸附过程自动发生的一种推动力。因此吸附的本质是物质从液相（或气相）到固相表面的一种传质现象。电厂废水及治理53.类型：根据吸附剂表面吸附力的不同，吸附可分为以下三种类型：1）物理吸附：分子间的作用力所引起的。·吸附热较小，可在低温下进行。·过程是可逆的，易解吸。·没有选择性。分子量越大，吸附量越大。·可形成单分子吸附层或多分子吸附层。2）化学吸附：由化学键力引起的――产生化学反应。电厂废水及治理6如石灰吸附CO2→CaCO3·吸附热大，一般在较高温下进行。·具有选择性，单分子层吸附。·化学键力大时，吸附不可逆。3）离子交换吸附：静电引力吸附质的离子→吸附剂表面的带电点上，同时吸附剂也放出一个等当量离子。·离子电荷越多，吸附越强。·离子水化半径越小，越易被吸附。实际过程中物理和化学吸附是主要的，比较如下：电厂废水及治理7吸附性能物理吸附化学吸附作用力分子引力（范德华力）剩余化学键力选择性没有选择性有选择性吸附层单分子或多分子吸附层只能形成单分子吸附层吸附热较小，＜41.9kJ/mol较大，相当于化学反应热，83.7-418.7kJ/mol吸附速度快，几乎不要活化能较慢，需要活化能温度放热过程，低温有利于吸附温度升高，吸附速度增加可逆性可逆，较易解析化学键大时，吸附不可逆电厂废水及治理84.1.2吸附剂具有一定吸附能力的多孔物质都可以作吸附剂。有活性炭、活化煤、焦炭、煤渣。活性碳是水处理中应用最为广泛的吸附剂。1.活性碳的制造原料：木材、煤，经高温炭化和活化而成。炭化：温度500-600℃，将原料热解为碳渣。活化：把碳渣造成发达的多孔结构主要有两种活化方法：气体法：通入水蒸气药剂法：用氯化锌、硫酸等作为活化剂。电厂废水及治理9原料碳化破碎、造粒活化洗涤干燥筛分成品水蒸气颗粒状活性炭的制造工艺电厂废水及治理102活性炭的构造吸附作用主要发生在细孔表面。比表面积：每克吸附剂具有的总表面积。可达500～1700m2/g。吸附量除与比表面积有关外，还与细孔的形状和分布有关。细孔的构造有；圆桶形，圆锥形，瓶形，平板形，毛细管形等。直径为1～10000nm。电厂废水及治理11根据杜必宁的分类，细孔分为：A.小孔（微孔）半径在2nm以下，其表面积占比表面积的95%以上，对吸附量的影响最大。B.中孔（过渡孔）半径为2～100nm,表面积占比表面积的5%以下。它为吸附质提供扩散通道，影响大分子物质的吸附。C.大孔半径为100～10000nm，表面积只有0.5～2m2/g，占比表面积不足1%，主要为吸附质提供扩散通道。电厂废水及治理12一般来说，吸附量主要受小孔支配，但对于分子量（或分子直径）较大的吸附质，小孔几乎不起作用。所以，在实际应用中，应根据吸附质的直径大小和活性炭的孔径分布来选择合适的活性炭。电厂废水及治理133活性炭的表面化学性质吸附不仅与构造和细孔分布有关，还与其表面化学性质有关。活性炭是非极性的，但在制造过程中，易于与氢、氧结合而具有微弱的极性。正因如此，它不仅可以去除水中的非极性物质，还可去除极性物质甚至微量的金属离子及化合物。电厂废水及治理144活性炭的特点A.具有良好的吸附性能和化学稳定性B.可耐酸碱C.能经受水浸、高温、高压作用D.不易破碎，气流阻力小E.粉状活性炭制造容易、成本低，但不易再生粒状活性炭成本较高，但操作管理和再生容易电厂废水及治理154.1.3吸附等温式与吸附速度1.吸附平衡(1)定义当吸附质的吸附速率=解吸速率（即V吸附=V解吸），即在单位时间内吸附数量等于解吸的数量，则吸附质在溶液中的浓度C与在吸附剂表面上的浓度都不再变时，即达到吸附平衡，此时吸附质在溶液的浓度Ce叫平衡浓度。电厂废水及治理162.吸附量q(g/g)衡量吸附剂吸附能力的大小，达到吸附平衡时，单位重量的吸附剂（g）所吸附的吸附质的重量（g）。WCCVqe)(0式中：V—废水容积；W—活性炭投量，gC0—废水吸附质浓度（g/L）Ce—吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度—平衡浓度电厂废水及治理173.吸附等温线在一定T下，q随平衡浓度Ce变化的曲线（q=f(Ce)）叫吸附等温线。用数学公式描述则叫吸附等温式。4.吸附等温式（三种）朗谬尔公式表示I型吸附等温线的有费兰德利希公式表示II型吸附等温线的有BET公式电厂废水及治理18(1)Langmuir等温式假设吸附剂表面均一，各处的吸附能相同；吸附是单分子层的，当吸附剂表面为吸附质饱和时，其吸附量达到最大值。eeebCCbqq10q0-吸附剂的吸附容量极限值，mg/gb-常数项，L/mg电厂废水及治理19（2）BET式seeseeCCBCCCBqq)1(1)(0Cs-吸附质平衡浓度的最大值，mg/gB-常数项，L/mg电厂废水及治理20(3)Freundlich等温式(经验式）K——Freundlich吸附常数n——常数，通常n1一般认为，1/n介于0.1～0.5，则易于吸附；1/n＞2时难以吸附。K值越大,活性炭的吸附容量越大,1/n表示随着浓度的增加吸附容量增加的速度.n1ekCqe电厂废水及治理21利用K值和1/n比较不同活性炭的吸附特性A炭的吸附容量较B炭大，当浓度较高时B炭的吸附效果有所改善；当低浓度吸附C时吸附容量比D炭高，但在高浓度时，吸附容量D炭C炭高。电厂废水及治理22q是选择吸附剂和吸附设备的重要参数，q决定吸附剂再生周期的长短，q越大，再生周期越长，再生剂用量及其费用越小。q通过吸附试验来确定。电厂废水及治理234.吸附等温曲线的测定用6个以上的具塞磨口三角烧瓶，取同样体积及浓度的污水，在每个瓶中加入不同的炭量（其中包括一个空白瓶），用振荡机混合均匀，使吸附达到平衡。测定各瓶中污水的残余浓度，计算其吸附容量（qe）。计算lgqe和lgci值，在坐标纸上，以lgqe为纵坐标，以lgci为横坐标，求得吸附等温曲线的K值和1/n。电厂废水及治理24吸附剂活性碳：吸附力强，比表面积可达800-2000m2/g，价格低，制备容易，再生困难。再生方法1)加热再生法：提高温度，使吸附分子脱附。注意加热再生炉应在缺氧状态下工作，炭量损失少。2)化学再生法：通过化学反应使吸附质转化为易溶于水的物质解析下来。电厂废水及治理25吸附剂腐植酸类吸附剂：主要有天然富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐煤等。目前已经有很多成型产品（填料）投放市场，用于水处理吸附。电厂废水及治理26应用举例电厂废水及治理27吸附等温式的应用由图可见，Langmuir吸附等温式大体上适用。电厂废水及治理285.应用举例qe=Kce1/n由图可见，Freundlich吸附等温式也适用。电厂废水及治理296.两点说明1.以上两种形式的吸附等温线公式,公式用于单组分吸附,即Ci指污水中某一种物质的平衡浓度，如酚、COD、BOD、油、色度。2.可粗略地进行成本估算.电厂废水及治理30mtCCVvt)(0min)/(gmg7.吸附速度吸附速度决定了废水和吸附剂的接触时间，该值越大，则接触时间越短，所需设备容积就越小，反之亦然。电厂废水及治理31吸附过程一般分为3个阶段：ⅰ液膜扩散（颗粒外部扩散）阶段ⅱ颗粒内部扩散阶段ⅲ吸附反应阶段：吸附质被吸附在细孔内表面上。吸附反应速度非常快，V主要取决于第ⅰ、ⅱ阶段速度，而颗粒外部扩散速度（液膜扩散）、搅动）、dcfv(电厂废水及治理32影响吸附的因素衡量指标吸附能力吸附速度固体吸附剂用吸附量衡量单位质量吸附剂在单位时间内所吸附的物质量吸附阶段颗粒外部扩散阶段孔隙扩散阶段吸附反应阶段吸附质从溶液中扩散到吸附剂表面吸附质在吸附剂孔隙中继续向吸附点扩散吸附质被吸附在吸附剂孔隙内的吸附点表面电厂废水及治理33溶液浓度C↑，则颗粒直径d↓，则加强搅动，则而颗粒内部扩散速度=f（细孔大小与构造，吸附质的d）吸附剂颗粒直径d↓，。d的大小对内、外部扩散都有很大影响，d↓,。所以，粉末状活性炭比粒状活性炭的吸附速度要快，接触时间短，设备容积小。vvvvvv电厂废水及治理34电厂废水及治理358.吸附的影响因素(1)吸附剂的性质：吸附剂的种类、颗粒大小、比表面积，颗粒的细孔构造与分布、吸附剂是否是极性分子等。(2)吸附质的性质：①溶解度：越低越容易吸附，具有较大的影响。②使液体表面自由能W降低得越多的吸附质则越容易被吸附。电厂废水及治理36③极性吸附剂易吸附极性的吸附质。非极性吸附剂易吸附非极性的吸附质。④吸附质分子的大小和不饱和度。活性炭：易吸附分子直径较大的饱和化合物合成沸石：易吸附分子直径小的不饱和化合物⑤吸附质的浓度较低时，提高C可增加吸附量。以后C↑，q增加很小，直至为一定值。（物以类聚）电厂废水及治理37(3)废水的pH值：活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液中吸附效果较好。(4)共存物质：对于物理吸附，共存多种物质时的吸附比单一物质时的吸附要差。(5)温度：对于物理吸附，T高则不利，吸附量减少。(6)接触时间：应保证吸附达到平衡时的时间，而该时间的大小取决于吸附速度V，V大则所需时间短。电厂废水及治理38易吸附的有机物;不易吸附的有机物：芳烃溶剂类低相对分子量的酮类苯糖及淀粉甲苯极高的相对分子量或胶体有机物低相对分子量的脂肪类硝基甲苯氯化芳烃类五氯酚类氯酚类多环芳香烃类艾氏剂DDT电厂废水及治理39吸附的操作方式间歇式连续式固定床移动床流化床4.2吸附操作及装置4.2.1活性炭吸附操作方式电厂废水及治理40（1）固定床图1-1固定床吸附塔构造示意图4.2.2活性炭吸附装置的类型电厂废水及治理41一般的固定床吸附柱中，吸附柱的总厚度为3~5m，分成几个柱串联工作，每个柱厚度1~2m。过滤速度在4~15m/h之间，接触时间一般不大于30~60min。为防止吸附剂层的堵塞，含悬浮物的废水一般先应经过砂滤，再进行吸附处理。电厂废水及治理42图1-2移动床吸附塔构造示意图l—通气阀；2—进料斗；3—溢流管；4、5—直流式衬胶阀；6—水射器；7—截止阀（2）移动床电厂废水及治理43多层流化床吸附塔结构示意图（3）流化床电厂废水及治理444.2.3吸附水中有机物的粒状活性炭床的设计设计参数：滤速、活性炭吸附容量、运行周期用经验数据设计：滤速：5～10m/h（空塔流速，superficialvelocity)或空床接触时间（emptybedcontacttime,EBCT,10～30min)124hQdEBCT吸附容量（经验值）200gCODMn/Kg)(13.1)(2mQdmQF或)(4)()()(42002mhdTCCQhhCCQqhdTee或电厂废水及治理454.2.4穿透曲线电厂废水及治理46粒状活性炭吸附柱实验系统示意图电厂废水及治理47多级串联曲线电厂废水及治理484.3吸附剂再生(1)活性炭再生方法的选择是否能改变污染物的化学性质是否能用对污染物亲和力强的溶剂萃取是否能用对活性炭亲和力比对污染物强的物质置换是否能用外部加热的方法使温度升高,改变其吸附平衡关系是否能用某种方法分解氧化有机污染物电厂废水及治理491）加热再生法（粒状炭常用）步骤：①脱水：使活性炭和输送液分离②干燥：加温到100～150℃，把细孔中的水分蒸发出来，同时使一部分低沸点的有机物也挥发出来③