活性炭吸附工艺课件.ppt

活性炭吸附吸附：在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓集的现象。分为物理吸附和化学吸附。物理吸附：吸附剂和吸附质之间通过分子间力产生的吸附。化学吸附：吸附剂和吸附质之间发生化学作用，由于化学键力引起的。废水处理中常用的吸附剂有活性炭，磺化煤、活化酶、沸石、活性白土、硅藻土、焦炭、木炭、木屑等。活性炭吸附一活性炭的性质1.活性炭的制造活性炭是以含碳为主的物质（如木材、煤）作原料，经高温碳化和活化而制成的疏水性吸附剂，外观呈黑色。碳化是把原料热解成炭渣，生成类似石墨的多环芳香系物质，活化是把热解的炭渣成为多孔结构。2.活性炭的细孔构造和分布活性炭的表面布满微细的小孔，根据孔径的大小，可分为小孔（半径在2nm以下）、大孔（半径介于100~1000nm之间）过渡孔（半径为2~100nm）比表面积：每克吸附剂所具有的表面积。活性炭的比表面积可达500~1700m2/g，其中小孔占95%。使活性炭具有吸附功能的是小孔，大孔的作用是将溶液导入，使其进入小孔的吸附功能区。3.活性炭的表面化学性质活性炭是由形状扁平的石墨型微晶体构成的。处于微晶体边缘的碳原子，由于共价键不饱和而易与其他元素如氧、氢等结合形成各种含氧官能团，使活性炭具有一些活性。已证实的有-OH基、-COOH基等。二吸附等温线平衡浓度：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成为平衡浓度。吸附等温线：在温度一定的条件下，吸附量随吸附质平衡浓度的提高而增加。把吸附量随平衡浓度而变化的曲线称为吸附等温线。由于液相的复杂，没有统一的吸附理论因此沿用气相吸附等温线。表示I型等温式有浪缪尔公式和费兰德利希公式，表示II型吸附等温式有BET公式。（1）朗缪尔公式从动力学观点出发，通过一些假设条件而推导的单分子公式q=abC/(1+aC)式中a,b为常数C为吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度g/L。为计算方便，将上式改为导数式，即：从上式可看出，与成直线关系，利用这种关系可以求a，b的值。q1bCabq1111C1(2)BET公式BET公式表示吸附剂上有多层溶质分子被吸附的吸附模式，各层的吸附符合朗缪尔单分字公式。公式为式中q0——单分子吸附层的饱和吸附量，g/gCs——吸附质的饱和浓度，g/LB——常数ssCCBCCBCqq)1(1)(0（3）费兰德利希经验公式q=KCI/n式中q——吸附量C——吸附平衡浓度g/L;K,n——常数。将上式改写成对数式：lgq=lgK+(1/n)lgC把C和与其对应的q点绘在双对数坐标纸上，便得到一条近似的直线。这条子线截距为K，斜率为1/n。1/n越小，吸附性能越好。一般认为1/n=0.1~0.5时，容易吸附；1/n大于2时，则难以吸附。三吸附速度1.吸附速度：单位重量的吸附剂在单位时间内所吸附的物质的量。吸附过程可分为3个阶段：膜扩散阶段，内部扩撒阶段，吸附反应阶段。因吸附反应阶段很快，所以吸附速度主要由前两阶段来控制。2.影响因素（1）吸附剂的性质：吸附剂的比表面积越大，吸附能力越强。（2）吸附质的性质a溶解度:溶解度越低，越容易被吸附。b表面自由能:表面自由能降低的越多，越容易吸附。c极性d吸附分子的大小和不饱和度e吸附质的浓度(3)废水的pH值活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液中有较高的吸附率。另外pH对吸附质的的存在状态及溶解度有影响，从而影响吸附效果。（4）共存物质（5）温度吸附过程是放热过程，温度升高吸附量减少，反之增加。温度对气相影响较大，对液相影响较小。（6）接触时间应保证吸附质与吸附剂有一定的接触时间，使吸附接近平衡。四吸附的操作方式静态：在废水不流动的条件下，进行吸附操作动态：在废水流动的条件下进行的吸附操作。废水处理中常用的动态设备有固定化床移动化床和流化床。1.固定床当废水连续通过填充吸附剂的吸附设备时，废水中的吸附质便被吸附剂吸附。若吸附剂数量足够时，从吸附设备流出的废水中的吸附质的浓度可以降低为零。吸附剂使用一段时间后，出水中的吸附质的浓度降低到零。吸附剂使用一段时间后，出水中的吸附质的浓度逐渐增加，增加到某一数值时，应停止通水，将吸附剂进行再生，吸附和再生可在同一设备内交替进行，也可将失效的吸附剂卸出，送到再生设备中进行。降流式固定床型吸附塔示意图（2）移动床原水从吸附塔底部流入和吸附剂进行逆流接触，处理后的水从塔顶流出，再生后的吸附剂从塔顶加入，接近吸附饱和的吸附剂从塔底间歇的排除。五活性炭柱试验炭柱在未出现出水泄漏之前存在三个区：失效区、吸附区和未利用区，随着过滤的进行，吸附区保持固定的高度向下推移。泄漏曲线的形状与进水水质、滤速及炭床高度有关，当v、L、一定时，污染物不同或炭的种类不同，曲线的斜率及泄漏时间随之变化，此外，出水水质要求越高，泄漏时间越早。设吸附区向前推进的速度为u，于是有：L=tduZ=（td–tc）u由上两式吸附区的厚度可按下式计算：Z=L（1–tc/td）式中，tc和td分别是炭床开始泄漏和枯竭的时间，L是炭床厚度。滤速越大，或者炭粒径越大，则Z值越大，炭床利用率越低；增大床厚度或减小滤速可增加接触时间（L/v），减小Z，延长tc，提高炭床利用率。六吸附剂的再生再生：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，从吸附剂的细孔中出去，已达到重复使用的目的。加热再生法活性炭再生主要方法药剂再生法化学氧化法生物法→低温（1）加热再生法高温高温加热法：脱水→干燥→碳化→活化→冷却脱水：使活性炭和输送液体进行分离。干燥：加温到100~150,将细孔中的水分蒸发，同时挥发低沸点有机物。碳化：加热到300~700，高沸点有机物由于热分解，一部分成为低沸点的有机物进行挥发；另一部分碳化，留在活性炭的细孔中。活化：将碳化的残渣进行活化，达到重新凿孔的目的。冷却：活化后用水急剧冷却，防止氧化。C0高温加热再生法的优缺点优点：a所有有机物都可采用此法b再生炭质量均匀c再生时间短d不产生有机再生废液缺点：a再生损失率高b高温材料耗量大c需严格控制温度和气体条件d再生设备造价高无机药剂再生：用无机酸或碱等使吸附在活（2）药剂再生法性炭上的污染物脱附。有机溶剂再生：用苯、丙酮及甲醇等有机溶剂萃取吸附在活性炭上的有机物。特点：可在吸附塔内进行，设备和操作管理简单，单药剂的再生一般随再生次数的增加，吸附性能明显降低，需补充新炭，废弃一部分饱和炭。湿式氧化法：饱和炭用高压泵经热换器和水加热器送入氧化反应塔进行氧化分解。化学氧化法电解氧化法：将炭作阳极，进行水的电解，在在活性炭表面产生的氧气把吸附质氧化分解。臭氧氧化法：利用臭氧把活性炭上的有机物分解。生物法：利用微生物的作用，将被活性炭吸附的有机物加以氧化氧化分解。七活性炭吸附法在废水处理中利用（1）活性炭对有机物的吸附活性吸附法多用于去除用生物或物理、化学法不能去除的微量呈溶解状态的有机物。但一些有机物易吸附，一些有机物难以吸附，能否采用活性炭吸附法，应通过吸附试验来决定。（2)能否易被活性炭吸附的几个因素1）分子结构芳香族化合物比一般脂肪族容易被吸附。2）界面张力越使液面张力减少的物质乐毅被吸附。3）溶解度活性炭是疏水物质，因此吸附物质的疏水性越强越易被吸附4）离子性和极性在有机酸和胺类中，有的溶于水后呈弱酸性或弱碱性。这类有机物处于非离解的分子状态时要比离子化状态时的吸附量大5)分子大小分子量越大，吸附性越强。6)pH将废水的pH值降低到2~3，再进行吸附，通常能增加有机物的去除率，因为废水中的有机酸形成离子的比例较小，故吸附量大。7）浓度一般有机物浓度增加，吸附量即呈指数增加。8)温度一般温度可忽略9）共存物质有些金属离子的如汞、铬酸、铁等在活性炭表面将发生氧化还原反应，生成物沉淀在颗粒内，妨碍吸附。（2）活性炭对无机物的吸附活性炭对无机物的吸附虽研究的较少，但证实活性炭对某些金属及其化合物有很强的吸附能力。如对锑、锡、汞、铅、镍、六价铬等具有良好的吸附能力。八活性炭吸附组合工艺活性炭吸附技术能够有效去除水中污染物，但其制水成本相对较高，而且其微孔结构不利于大分子有机污染物的去除，其广泛应用受到了一定的限制。因此，活性炭吸附与其他水处理技术的联合应用，往往能够产生更好的处理效果。下面将介绍几种常见的活性炭吸附组合工艺。（1）臭氧-活性炭组合工艺臭氧作为强氧化剂，能使水中大分子有机物分解为小分子有机物，提高有机物进入活性炭微孔内部的可能性，充分发挥活性炭的吸附表面，延长活性炭的使用周期。同时臭氧还发挥了活性炭所不具备的杀菌作用。而活性炭则能有效吸附臭氧在氧化过程中产生的大量中间产物，包括解决臭氧无法去除的三卤甲烷及其前驱物质，并保证了后出水的生物稳定性。因此，臭氧-活性炭组合工艺自1961年开始使用以来，在世界发达国家得到了广泛应用。（2）高锰酸钾-活性炭组合工艺高锰酸钾也是强氧化剂，能降解有机物、抑制藻类生长，随着投加量的增加和接触时间的延长，其水处理效果较为理想。而粉末活性炭对水中小分子有机物(分子量＜3000)有很好的吸附作用，有利于净水过程中去除色味。故常将两者组合用于常规净水工艺流程中。（3）生物活性炭法生物活性炭技术是以粒状活性炭为载体，通过富集或人工固化微生物，在活性炭表面形成生物膜，利用活性炭的吸附作用和生物膜的生物降解作用共同去除水中污染物[8]。与普通生物法相比，在相同的HRT下污染物停留时间更长，因而处理效果更好。同时，微生物的降解也能使活性炭再生，再生率高达20％左右。而活性炭也可减轻废水中有害物质对微生物的影响，从而消除微生物降解的不利影响。但是，在使用该技术进行饮用水深度处理时应避免预氯化处理，否则微生物不能在活性炭上生长。（4）粉末活性炭-活性污泥组合工艺该工艺是将粉末活性炭投加到活性污泥曝气池中，形成生物活性炭，利用吸附、降解协同作用去除有机污染物。它一方面可去除活性污泥法难以去除的有机物，提高活性污泥的去除效率；另一方面使活性污泥具有优良的压密性，从而克服了污泥膨胀。（4）活性炭-超滤组合工艺超滤膜过滤工艺的显著优点是能有效去除水中的病原菌，但其棘手的问题是膜阻塞和膜污染。活性炭-超滤膜组合工艺克服了单一处理方法的弱点：在组合工艺中，利用活性炭对进水前处理，能够去除各类有机化合物、水中大部分的浊度和色度，这为后续膜过滤提供了保障，从而缓解膜阻塞和膜污染问题，延长膜的使用寿命；用膜进行后处理则能有效解决出水中的细菌问题，保障出水水质。（5）活性炭电解法活性炭电解法是利用活性炭的导电性将其作为电极，先使活性炭吸附污染物，再通过其电解作用进行氧化降解以去除水中杂质，是絮凝反应与自由基反应相结合的过程。活性炭的强吸附能力能大大提高氧化性产物的利用效率，在相同条件下，活性炭固定床电解槽与普通电解槽相比，可节省电耗30％～40％。活性炭吸附在水处理应用中主要具有如下优点：（1）活性炭对水中污染物有卓越的吸附能力，对用生物法和其他方法难以去除的有机污染物和重金属有较好的吸附去除效果；（2）活性炭对水质、水温及水量变化具有较强的抗冲击负荷能力，因而易于控制与管理；（3）活性炭吸附的“贵重”有机污染物和重金属易于回收利用，且活性炭本身也能脱附再生。九活性炭吸附的应用与研究展望活性炭可以吸附水中众多的金属离子和有机物，但在一定条件下对特定的有机物的吸附量很小。活性炭优良的吸附性能源自于其巨大的表面积、发达的内部微孔结构和丰富的表面官能团。从吸附模式上讲，Langmuir和Freundlich模式对于金属离子和有机物都是经典的经验模式，对于金属离子表面络合模式更能表示变化条件下的吸附行为。但是所有的吸附模式都是特定条件下的模拟，不具备实际的物理意义，无法从本质上反应吸附过程。活性炭对吸附质的主要作用有：离子交换作用、静电作用、扩散力、供-受电子交换作用。pH通过改变吸附质和活性炭表面官能团的电离状态而改变活性炭与吸附质之间静电作用的大小和性质，使活性炭的吸附量增加或减少。当给定活性炭的性质、