第七章 吸 附

一、物理处理1.1筛滤法1.格栅过滤2.筛网过滤3.颗粒介质过滤4.微滤机过滤1.2重力法1.沉砂池2.沉淀池3.隔油池4.泡沫分离、气浮池5.离心法环境工程中其它常用化工单元操作二、化学处理2.1.酸碱中和法2.2.混凝沉淀法2.3.化学沉淀法2.4.电解法1.电解氧化还原2.电解凝聚和电解气浮环境工程中其它常用化工单元操作二、化学处理2.5.氧化还原法1.空气氧化2.氯氧化3.臭氧氧化4.过氧化氢5.高级氧化技术：H2O2/Fe2+（Fenton试剂）,UV/TiO2/O2,UV/H2O2,UV/TiO2/H2O2,太阳光/TiO2/O2等6.燃烧7.湿式氧化8.超临界氧化9.催化还原铁内电解法环境工程中其它常用化工单元操作三、物理化学法3.1.吸附法3.2.离子交换法3.3.膜分离法1.超滤2.反渗透3.电渗析3.4.萃取法3.5.吸收、吹脱、汽提3.6.蒸发3.7.结晶环境工程中其它常用化工单元操作7.1基本原理7.1.1基本概念1.吸附：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，它是一种建立在分子扩散基础上的物质表面现象。液－液，气－液、气－固、液－固等任何两相的界面之间。废水处理中：主要是固、液吸附废气处理中：主要是固、气吸附第七章吸附7.1基本原理7.1.1基本概念2.吸附法：利用多孔型的固体物质，使污染物中的一种或多种物质被吸附在固体表面而去除的方法。3.吸附剂：具有吸附能力的多孔性固体物质称为吸附剂。常用的吸附剂：活性炭、焦炭、木炭、木屑、磺化煤、活化煤、褐煤、硅藻土、沸石、铝矾土、矿渣、腐殖质酸、矿化垃圾以及吸附用的树脂等。活性炭最常用。4.吸附质：被吸附的物质称为吸附质。第七章吸附7.1基本原理7.1.2吸附原理1.吸附原理：吸附剂颗粒中，固体界面上的分子受力不均衡，因而产生表面张力，具有表面能。当它吸附溶质到其界面后，界面上的分子受力就要均衡些，导致表面张力的减少，符合热力学第二定律，这种能量有自动变小的趋势。2.吸附力：分子引力（VanderWaals力）、化学键力和静电引力。3.吸附类型：物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。第七章吸附7.1基本原理7.1.2吸附原理4.物理吸附：物理吸附是吸附质与吸附剂之间的分子引力产生的吸附。物理吸附的特征：1）吸附热较小2）选择性较差3）低温能进行4）较易解吸5）单层或多层吸附第七章吸附7.1基本原理7.1.2吸附原理5.化学吸附：化学吸附是吸附质与吸附剂之间由于化学键力发生了化学作用，使得化学性质改变产生的吸附。化学吸附的特征：1）吸附热较大2）选择性较强3）高温能进行4）当化学键力大时，吸附不可逆5）单分子层吸附第七章吸附7.1基本原理7.1.2吸附原理6.离子交换吸附：吸附质的离子由于静电引力聚集到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称为离子交换吸附。离子交换吸附的特性：1）离子所带电荷越多，吸附越强2）电荷相同的离子，其水化半径越小，越易被吸附水处理中，大部分的吸附是3种吸附综合作用的结果，但可能以某种吸附为主。例如：低温时主要是物理吸附，高温时主要是化学吸附。第七章吸附7.1基本原理7.1.3活性炭1.活性炭的制造活性炭是用含炭为主的物质（如木材、煤）作原料，经高温炭化和活化而成的疏水性吸附剂，外观成黑色。炭化：热解；活化：形成多孔结构药剂活化、气体活化2.活性炭的细孔构造和分布比表面积：每克吸附剂所具有的表面积称为比表面积3.活性炭的表面化学性质第七章吸附7.1.4吸附等温式（线）1.吸附平衡：吸附过程、解吸过程吸附平衡：当吸附速度和解吸速度相等时，即单位时间内吸附的数量等于解吸的数量时，则吸附质在溶液中的浓度和吸附剂表面的浓度都不再改变而达到平衡。此时吸附质在溶液中的浓度称为平衡浓度。吸附量：吸附量是指一定工况条件下单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的质量(g/g)2.吸附等温式：吸附量随平衡浓度而变化的曲线称为吸附等温线第七章吸附7.1.4吸附等温式（线）3.物理吸附的常见吸附等温线：5种4.常见吸附等温式：1）Frundlich吸附等温式或费兰德利希吸附等温式2）Langmuir吸附等温式或朗谬尔吸附等温式3）BET(Brunauer,Emmett,Teller)吸附等温式5.Frundlich吸附等温式或费兰德利希吸附等温式经验公式，一般适用于浓度不高的情况Frundlich吸附等温式的数学表达式第七章吸附7.1.4吸附等温式（线）6.Langmuir吸附等温式或朗谬尔吸附等温式1）理论推导式，单分子吸附公式，如下假定（1）吸附剂表面的吸附能是均匀分布的。（2）被吸附的吸附剂表面的溶质分子只有一层，为单分子吸附；当达到单层饱和时，其吸附量最大。（3）被吸附的吸附剂表面上的溶质分子不再迁移（4）吸附能为常数2）Langmuir吸附等温式的数学表达式7.BET(Brunauer,Emmett,Teller)吸附等温式1）理论推导式，多层分子吸附公式，各层的吸附符合Langmuir吸附等温式2）BET(Brunauer,Emmett,Teller)吸附等温式的数学表达式第七章吸附7.1.4吸附等温式（线）8.例题：一废水COD为75mg/l，用活性炭处理，要求排放浓度不超过15mg/l。吸附实验结果如下表。根据Freundlich等温式绘制曲线，并确定平衡时活性炭的吸附容量和活性炭处理此废水的最大吸附容量，计算常数K和n数值。第七章吸附瓶号炭的质量mg溶液体积ml平衡时CODmg/l被吸附物质的量mg单位炭的吸附量mg/mg1020075250200446.20.1243100200309.00.089420020017.511.50.057555002006.7513.650.027268002003.914.220.0177710002003.014.40.01447.1.5吸附速度1.吸附速度：吸附速度是指单位质量的吸附剂在单位时间内所吸附的物质量。它决定了废水和吸附剂的接触时间。2.吸附过程：3阶段理论：颗粒外部扩散、颗粒内部扩散、吸附反应阶段提高吸附速度的方法：颗粒直径小、提高流速、提高搅拌强度等。第七章吸附7.1.6影响吸附的因素影响吸附的因素：吸附剂的性质、吸附质的性质、操作条件1.吸附剂的性质：1）吸附剂的比表面积2）吸附剂的种类、表面化学性质（如改性）3）吸附剂颗粒大小、微孔的构造、分布2.吸附质的性质：1）溶解度2）表面自由能3）极性4）吸附分子的大小和不饱和度5）吸附质的浓度第七章吸附7.1.6影响吸附的因素3.pH值4.共存物质5.温度6.接触时间第七章吸附7.1.6吸附剂的再生1.再生：再生就是吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，用某种方法将被吸附的物质从吸附剂的细孔中除去，以达到能够重复使用的目的。2.吸附剂的再生活性炭、焦炭、木炭、木屑、磺化煤、活化煤、褐煤、硅藻土、沸石、铝矾土、矿渣、腐殖质酸、矿化垃圾以及吸附用的树脂等共存物质第七章吸附7.1.6吸附剂的再生1.活性炭的再生方法：1）加热再生法：低温、高温高温再生5步骤（1）脱水（2）干燥（3）炭化（4）活化（5）冷却2）药剂再生法：无机药剂再生法、有机溶剂再生法3）化学氧化法（1）湿式氧化法（2）电解氧化法（3）臭氧氧化法4）生物法第七章吸附7.2吸附操作方式与设计7.2.1吸附操作方式1.静态吸附：间歇式2.动态操作吸附：连续流吸附设备：（1）固定床（2）移动床（3）流化床第七章吸附7.2吸附操作方式与设计7.2.2吸附柱的行为1.穿透曲线1）吸附带：吸附带是指正在发生吸附作用的那段填充层。2）穿透曲线：吸附柱实验过程中，出水污染物浓度与时间之间形成的S形曲线称为穿透曲线。（1）穿透点：出水污染物达到最大容许流出浓度的一点称为穿透点（2）耗竭点：出水污染物达到进水浓度的90～95％时的一点称为耗竭点。第七章吸附7.2吸附操作方式与设计7.2.2吸附柱的行为2.穿透曲线的数学式1）移动吸附区长度所需时间:tz2）吸附带从开始形成到完全移出柱体所需时间:tE3）吸附带在柱中的移动速率:Uz4）交换吸附带的高度:hz5）形成吸附带所需时间:tf第七章吸附7.2吸附操作方式与设计7.2.3吸附柱的设计1.设计方法：1）经验法，2）试验法，3）传质单元法2.需设计的内容：炭柱形式及炭层厚度、炭柱使用周期、通水倍数（m3-H2O/kg-C）、最佳空塔速度、接触时间、炭柱设备容量、用炭量及再生设备容量、每米炭层的水头损失、反冲洗频率及强度、设备投资及处理费用。第七章吸附7.2.3吸附柱的设计7.2.3.1.经验法活性炭吸附固定床处理二级处理出水可参考以下数值：1）接触时间：CODeffl.:10~20mg/l,time:20~30minCODeffl.:5~10mg/l,time:30~50min2）空塔滤速：6~15m3/(m2·h)3）操作压力：操作压力23.7kPa/m-C4）炭层厚度：一般4~12m，通常4~8m，单柱一般1.2~2.4m，炭床膨胀率：20%~50%，串联数45）反冲洗：工作周期12h，反冲洗时间：5~10min，反冲洗强度：30m3/(m2·h)第七章吸附7.2.3吸附柱的设计7.2.3.1.经验法某炼油厂拟采用活性炭进行炼油废水深度处理，处理水量Q为600m3/h，废水COD平均为90mg/l，出水COD要求小于30mg/l，试计算吸附塔的主要尺寸。主要设计参数如下：1）接触时间：30min2）空塔滤速：10m3/(m2·h)3）通水倍数：6.0m3/kg4）活性炭填充密度：0.5t/m3第七章吸附7.2吸附操作方式与设计7.2.3吸附柱的设计7.2.3.2试验法1.在实验室进行小试规模的试验，确定：1）停留时间2）穿透前处理水量3）水头损失4）流出曲线形状2.现场进行较大规模的验证试验第七章吸附7.2吸附操作方式与设计7.2.3吸附柱的设计7.2.3.2.试验法3.实验室小试规模的试验步骤：1）选定一种或几种性质较适宜的活性炭2）作平行实验确定各种炭的处理能力，选出一种最佳炭（静态吸附实验）3）通过实验确定吸附参数（动态吸附实验）4）分析实验数据，建立适当的装置模型第七章吸附7.2.3吸附柱的设计7.2.3.2.试验法4.Bohart-Adams计算法：1）Bohart-Adams方程式式中：t:工作时间,hv:线速度，即空塔速度，m/hh:炭层高度，mK:速率常数，m3/(kg·h)C0:进水浓度,kg/m3Ce:允许出水浓度,kg/m3N0:吸附容量，即达到饱和时吸附剂的吸附量，kg/m3h0:工作时间为零时，保证出水吸附质浓度不超过允许浓度Ce的炭层理论高度称为临界高度第七章吸附tKCeCChKNe0/0)1ln()1ln(01）Bohart-Adams方程式因为eKN0X/v»1，上式可简化为2）模型试验吸附容量N0可由t对h作图的直线斜率得到，速率常数K由截距计算得到，h0通过公式求出。改变空塔速度v,得到不同的N0、K、h0，并得它们的关系图，供实际吸附塔设计时使用。第七章吸附)1ln(1)1ln(00000000eeCCKChvCNCCKNvhvCNt)1ln(1000eCCKNh4.Bohart-Adams计算法：3）吸附塔的设计（1）直径D：根据需要确定（2）炭层高度h：根据需要确定（3）线速度v：根据直径D确定线速度v（4）工作时间t：由v与N0、K、h0的关系图确定N0、K、h0后，由公式求得工作时间t(h)（5）活性炭每年更换次数n:n=365×24/t(次/年）（6）活性炭年消耗量w:w=nD2h/4(m3/年）（7）吸附质年去除量G:G=nQt(C0-Ce)/1000(kg/年）（8）吸附效率E:E=(h-h0)/h第七章吸附7.2.3.3.传质单元数和传质高度：1.对于稳态吸附过程，吸附床单位体积吸附速度为：(1)式中：kf:用界面浓度ci表示的流体膜传质系数Kf:用平衡浓度c*表示的流体总传质系数ks:用界面浓度qi表示