水的吸附处理

CompanyLOGO第5章水的吸附处理Adsorption5.1.1吸附原理和吸附类型一、吸附某种物质(离子或分子)在另一种物质表面或微孔内积聚的现象。二、吸附剂和吸附质吸附剂：具有吸附性能的物质。特点：多孔固体，比表面积大。吸附质：能被吸附剂吸附的物质。5.1吸附区别于吸收与吸附不同，吸收时，液相中物质分子是均匀分散的。而吸附是流体分子富集在固体表面上，形成一吸附层（或称吸附膜），而没有向固体内部渗透。由于吸附是一种表面现象，所以只有那些具有较大内表面的多孔性固体才具有吸附能力。吸附过程是由流体（气体或液体）与固体构成一个体系，是非均相过程。三、吸附机理固体表面分子(或原子)处于特殊的状态。固体内部分子所受的力是对称的，故彼此处于平衡。但在界面分子的力场是不饱和的，即存在一种固体的表面力，它能从外界吸附分子、原子、或离子，并在吸附表面上形成多分子层或单分子层。四、吸附分类物理吸附:吸附剂和吸附物通过分子力产生的吸附。特点是放热过程吸附物分子状态变化不大，需要的活化能很小，多数在较低温下进行。达吸附平衡时间非常短吸附过程可逆化学吸附：化学吸附是由于吸附剂和吸附物之间的电子转移，发生化学反应而产生。特点释放大量的热单分子层吸附，稳定，不易解吸交换吸附1st极性吸附:吸附剂表面如为极性分子所组成，则会吸引溶液中逞相反极性的物质或离子而形成双电层，这种吸附称为极性吸附。2nd离子交换:在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，它同时要放出等当量的离子于溶液中。吸附剂表面键合的离子基团或可离子化基团,通过静电引力吸附带有相反电荷的离子,吸附过程发生电子转移。吸附剂表面物理吸附分子间力无选择性，分子引力随分子量增大而增加；表面能降低，放热;无化学反应发生。化学吸附化学键力吸附剂与吸附质之间发生了化学反应。交换吸附静电引力表面能降低，靠吸附质离子与吸附剂表面带电点上的静电引力聚集在吸附剂表面，同时放出等当量的同号离子。五、吸附力的本质实际过程中物理和化学吸附是主要的，比较如下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，吸附不可逆吸附平衡当溶液中吸附质的浓度和吸附剂单位吸附量不再发生变化时，达到了吸附平衡。5.1.2吸附容量和吸附等温线吸附剂吸附质脱附：吸附的逆过程11吸附容量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）。对物理吸附，吸附容量是温度t和平衡浓度Ce的函数。0()eeVCCqm12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。达到吸附平衡时：qe=V(C0-Ce)/mV：液体容积，m：吸附剂质量Ce：吸附平衡时，液相中溶质浓度C0：吸附前，液相中溶质浓度吸附等温线测定方法：假设溶剂不被吸附，或者液体混合物是溶质的稀溶液测定溶液与吸附剂接触前后的浓度变化吸附等温线吸附等温式表达等温吸附平衡关系，表明被吸附物的量与浓度之间的数学关系式——吸附等温式由于吸附过程比较复杂，吸附机理尚无统一定论，等温吸附式都是在一定假设条件下导出的，分别适用于不同的体系和范围。1.弗兰德里希（Freunlich）公式：q——吸附量，L/kg（气相）或kg/kg（液相）k——和吸附剂种类、特性、温度以及所用单位有关的常数n——常数，和温度有关pe——吸附质气相中的平衡分压,PaCe——吸附质在液相中的平衡浓度随着pe或Ce的增大，吸附量q随之增加。但pe或Ce增加到一定程度后，q不再变化。1/neqkp…气相吸附1/neqkC…液相吸附弗兰德里希公式是经验公式，适用于低浓度气体或低浓度溶液。对于气体：压力范围不能太宽，低压或高压区域不能得到满意的实验拟合结果。弗兰德里希公式参数的求解：对吸附等温式两边取对数：1lglglgqkpnk双对数坐标1/n•1/n越小，说明吸附可在相当宽的浓度范围下进行。•一般认为1/n=0.1–0.5时容易吸附k双对数坐标1/n2.朗格谬尔（langmuir)公式方程推导的基本假定：吸附剂表面性质均一，每一个具有剩余价力的表面分子或原子吸附一个分子。吸附质在吸附剂表面为单分子层吸附。吸附是动态的，被吸附分子受热运动影响可以重新回到气相。吸附在吸附剂表面的吸附质分子之间无作用力。Langmuir公式：111mkqCqkCC——液相中吸附质浓度Langmuir公式分析：当p（或C）很小时，则：q=k1qmp（或q=k1qmC）满足亨利定律，即吸附量与流体的平衡分压（或浓度）成正比。当p（或C）时，q=qm此时，吸附量与流体的浓度无关，吸附剂表面被占满，形成单分子层。3.BET公式由Brunaner,Emmett和Teller3人提出的。大多数吸附体系属于II型等温线。基于多分子层吸附，在Langmuir公式基础上推导出来的。假设：•吸附分子在吸附剂上是按各个层次排列的。•吸附过程取决于范德华引力，吸附质可以在吸附剂表面一层一层地累叠吸附。•每一层吸附都符合Langmuir公式。00()[(1(1)]bmbkpqqpppkpp0——吸附质组分的饱和蒸气压qm——吸附剂表面完全被吸附质单分子层覆盖时的吸附量kb——常数BET公式中的参数qm和kb可以通过实验测定。通常只适用于比压（p/p0）约在0.05～0.35比压小于0.05，建立不起多层物理吸附平衡；比压0.35，毛细凝聚变得显著，破坏多层物理吸附平衡。毛细管凝结现象是指被吸附的蒸气在多孔性的吸附剂孔隙中凝结为液体的现象。23245.1.3吸附速度,单位:吸附速度V决定了废水和吸附剂的接触时间，V越大，则接触时间越短，所需设备容积就越小，反之亦然。tqV/min)/(gg吸附衡量指标和影响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吸附动力学吸附剂从流体中吸附吸附质的传质过程分以下三步：(1)吸附质从流体主体扩散到吸附剂外表面——外扩散(2)吸附质由吸附剂的外表面向微孔中的内表面扩散——内扩散(3)吸附质在吸附剂的内部表面上被吸附一般第(3)步的速度很快，吸附传质速率主要取决于第(1)和(2)两步。外扩散速度很慢——外扩散控制内扩散速度很慢——内扩散控制吸附速度主要取决于外部扩散速度和孔隙扩散速度。外部扩散速度与溶液浓度成正比与吸附剂的比表面积的大小成正比吸附剂颗粒直径越小，速度越快增加溶液与颗粒间的相对运动速度，可提高速度孔隙扩散速度吸附质颗粒越小，速度越快(一)吸附剂的性质1物理性质：孔的大小、比表面积；2表面化学特性：表面的极性。(二)吸附质的性质1溶解度；2分子量；3分子极性；5.1.4吸附的影响因素(三)操作条件温度：物理吸附、化学吸附；pH值：影响吸附质的存在状态和吸附剂表面特性。接触时间：共存物质：诱发物；干扰物；生物协同作用：繁殖微生物，有利于有机物的分解。常用吸附剂的主要特性吸附容量大：由于吸附过程发生在吸附剂表面，所以吸附容量取决于吸附剂表面积的大小。选择性高：对要分离的目的组分有较大的选择性。稳定性好：吸附剂应具有较好的热稳定性，在较高温度下解吸再生其结构不会发生太大的变化。同时，还应具有耐酸碱的良好化学稳定性。适当的物理特性：适当的堆积密度和强度廉价易得具有一定吸附能力的多孔物质都可以作吸附剂.常用的吸附剂主要有以下几种活性炭活性氧化铝硅胶和硅藻土沸石分子筛吸附树脂活性炭是一类碳质吸附剂的总称，品种很多。几乎所有的有机物都可以作为制造活性炭的原料，如泥炭、褐煤、烟煤、重质石油馏分、木材、果壳、纸浆废液等。将原料在隔绝空气的条件下加热至600℃左右（有时还加添加剂），使其热分解，得到的残碳再在800℃以上高温下与空气、水蒸气或二氧化碳反应使其烧蚀，便生成多孔的活性炭。活性炭具有吸附力强，分离效果好，来源比较容易，价格便宜。但由于活性炭生产原料和制备方法不同，因此吸附性能的可重复性很难控制。另外活性炭色黑质轻，有时会造成环境污染。5.2活性炭简介活性炭的种类粉末状活性炭：颗粒极细呈粉末状，是活性炭中吸附力最强的一类。颗粒状活性炭：由粉末状活性炭制成的颗粒，便于装柱使用。锦纶--活性炭：以锦纶为粘合剂，将粉末活性炭制成颗粒，可用来分离因前两种活性炭吸附力太强而不易洗脱的吸附物。活性炭（Activecarbon）活性炭种类颗粒大小表面积吸附力吸附量洗脱粉末活性炭小大大大难颗粒活性炭较小较大较小较小难锦纶活性炭大小小小易5.2.1活性炭的制备活性炭是应用最为广泛的吸附剂。是由煤或木质原料加工得到的产品，通常一切含碳的物料，如煤、木材、果核、秸秆等都可以加工成黑炭，经活化后制成活性炭。碳化：把原料热解成碳渣，温度：500－600度活化：形成发达的细孔。两种办法:气体法：通入水蒸汽，温度在800－1000度；药剂法：加入氯化锌、硫酸、磷酸等比表面积：500－1700m2/ga.比表面积越大，吸附量越大：但对一些大分子，微孔所提供的比表面积基本上不起作用。活性炭细孔分布情况：微孔：2nm，占总比表面95％：主要支配吸附量过渡孔：2-100nm，5％：起通道和吸附作用大孔：100-10000nm，不足1％：主要起通道作用，影响吸附速度。b.表面化学特性：活性炭本生是非极性的，但由于表面共价健不饱和易与其它元素如氧、氢结合，生成各种含氧官能团。目前已证实的含氧官能团有：－OH基、－COOH基由于这种微弱极性，使极性溶质竞争吸附加强。活性炭生产工艺活性炭常用性能指标—吸附能力碘吸附值体现活性炭中孔径略大于1.0nm微孔的发达程度,表征比表面积大小；四氯化碳（CTC）吸附值表示活性炭对气体物质的吸附能力；甲基蓝值则代表孔径大于1.5nm的微孔和中孔发达程度;表示活性炭脱色能力的。苯酚值可表征活性炭对于小分子芳环类和极性有机物的吸附能力.活性炭纤维活性炭纤维吸附能力比一般活性炭要高1～10倍。活性炭纤维分为两种：(1)将超细活性炭微粒加入增稠剂后与纤维混纺制成单丝，或用热熔法将活性炭粘附于有机纤维或玻璃纤维上，也可以与纸浆混粘制成活性炭纸。(2)以人造丝或合成纤维为原料，与制备活性炭一样经过炭化和活化两个阶段，加工成具有一定比表面积和一定孔分布结构的活性炭纤维。由吸附平衡、吸附容量确定吸附剂的用量；选择最佳的吸附剂；吸附剂的最佳吸附条件；不同吸附剂的吸附特性对比；混合吸附质的竞争吸附比较。5.3活性炭吸附的应用5.3.1、吸附模型的工程意义动态实验串联级数吸附周期通水倍数m3/kg空塔流速v接触时间t=h/v设备规模投资及运行费用静态实验水质条件吸附时间饱和吸附量单位废水吸附剂用量；一、设计参数的来源1借鉴同类设计参数2进行吸附实验吸附实验提供设计参数5.3.2吸附工艺设计最佳吸附剂选择吸附类型确定二、静态吸附试验····(x/m)n(x/m)3(x/m)2(x/m)1(x/m)·····ρenρe3ρe2ρe1ρe·······mnm3m2m1吸附剂量(m)·······CoCoCoCo废水浓度·······VVVV废水体积·······n321编号项目····(x/m)n(x/m)3(x/m)2(x/m)1(x/m)·····ρenρe3ρe2ρe1ρe·······mnm3m2m1吸附剂量(m)·······CoCoCoCo废水浓度·······VVVV废水体积·······n321编号项目x/mρe吸附类型饱和吸附量三、动态吸