工业废水处理-吸附法

污水的吸附法处理吸附原理活性碳的吸附性能吸附等温线吸附速率吸附影响因素吸附操作方式吸附塔的设计吸附法在工业废水处理中的应用•定义在固体物质表面上，气体或液体分子自动发生累积或浓集的现象。吸附剂：具有吸附能力的多孔性固体物质。吸附质：被吸附的物质。•应用18世纪末，骨碳脱除糖水中的色素。20世纪初，用硅胶从气体中分离洒精、天然气中分离乙烷等。日常生活中，木炭除湿、除臭。工业生产中，分离气体和液体混合物，广泛应用于化工、炼油、轻工、食品及废水处理。1吸附法功能与特点深度处理可回收有用物料进水预处理要求高运转费用贵1吸附法功能与特点1、吸附原理吸附剂：固体表面有吸附水中溶解及胶体物质的能力,比表面积很大的活性炭等具有很高的吸附能力。吸附物理吸附化学吸附吸附剂与吸附物质通过分子间引力(范徳华力)而产生的吸附吸附剂与被吸附物质产生化学作用，生成化学键引起吸附两种吸附往往是相伴发生，而不能严格分开，是几种吸附综合作用的结果，可能存在以某种吸附为主。物理吸附分子间力(范德华力)引起没有选择性放热较小，约42kJ／mol或更少多分子层吸附吸附剂的比表面积和细孔分布影响大化学吸附化学反应，形成牢固的化学键放热量较大，约84—420kJ／mol有选择性单分子层吸附表面化学性质和化学性质影响大交换吸附正负电荷间静电引力引起吸附剂表面带电点离子置换离子电荷数对吸附影响大解析与再生一般可同时实现。解析与再生要求尽量不破坏或少破坏吸附剂。目的：①吸附剂循环使用；②回收有用物质。吸附基本循环吸附吸附再生将被吸附的物质洗脱出来。采用一定方法恢复吸附剂的活性。解吸再生方法加热再生法在高温条件下，提高了吸附质分子的能量，使其易于从活性炭的活性点脱离；而吸附的有机物则在高温下氧化和分解，成为气态逸出或断裂成低分子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而解吸下来使用形式：粉状、片状、粒状。要求：比表面积很大。吸附剂种类活性氧化铝/铝土矿无定形多孔结构，具亲水表面。孔径20~50A，比表面200~500m2/g。主要用于液体、气体的干燥。沸石/分子筛结晶型多孔结构，为含水硅酸盐。具有亲水表面。分子筛具有特定的均一孔径，可分离性质相近、大小形状不同的物质。硅胶无定形SiO2组成的多孔结构，介于亲水和憎水之间。孔径10~100A，比表面500~1200m2/g。用于液体、气体的燥；天然气中碳氢化合物回收。无定形SiO2组成的多孔结构，介于亲水和憎水之间。比表面500~1200m2/g。用于液体、气体的干燥；天然气中碳氢化合物回收。活性碳具有憎水表面，水处理最常用。其他腐植酸、磺化煤、硅藻土、焦炭用于工业废水处理的其他吸附剂：腐植酸类种类：天然的富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐煤等，可直接或经简单处理后使用。腐植酸类物质能吸附工业废水中的许多金属离子，如汞、铬、锌、镉、铅、铜等。腐植酸对阳离子的吸附，包括离子交换、螯合、表面吸附、凝聚等作用。腐植酸类物质在吸附重金属离子后,可以用H2SO4、HCl、NaCl等进行解吸。2.活性碳活性炭的制造高温炭化活化，800~900℃木材、煤、果壳炭渣活性炭隔绝空气，600℃有氧，活化剂蒸汽、CO2、ZnCl2粉末状活性炭粒状活性炭（园柱状、球状），粒径2~4mm棒状活性炭：Φ50mm，L=255mm作用：①分解放出水气、CO、CO2及H2等。②使原料分解成碎片，并重新集合成稳定的微晶体（六角晶格排列的片状结构堆积而成）。目的：①烧掉碳化时微晶体边界上吸附的碳氢化合物。②烧掉部分碳原子，扩大孔隙、形成多孔结构。活性炭的细孔构造和分布1.比表面积每g活性炭所具有的表面积。一般500~1700m2/g，99.9%的表面积在多孔结构颗粒的内部。2.细孔构造小孔（2nm），占比表面积的95%以上，起吸附作用，吸附量以小孔吸附为主。过渡孔（2~100nm），占比表面积5%，吸附量不大，起吸附作用和通道作用。大孔（100~1000nm），占比表面积很小，吸附量小，提供通道。活性碳的再生再生是在吸附剂本身的结构基本不发生变化的情况下，用某种方法将吸附质从吸附剂微孔中除去,恢复它的吸附能力。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而解吸下来，如无机酸碱、有机溶剂等。加热再生法由脱水、干燥、炭化，活化、冷却等5步组成。高温提高了吸附质分子的能量，使其易于从活性点脱离；吸附的有机物在高温下氧化和分解再生方法生物再生法利用微生物的作用，将被活性炭吸附的有机物加以氧化分解。3吸附等温线与吸附速度3.1吸附平衡1.定义当吸附质V吸附=V解吸，溶液中吸附质的浓度与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C叫平衡浓度。2.吸附量q(g/g)衡量吸附剂吸附能力的大小。达到吸附平衡时吸附剂（g）所吸附的吸附质的量（g）。（13-24）式中：V—废水容积；W—活性炭投量，gC0—废水吸附质浓度（g/L）C—吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度(g/L)—平衡浓度q=f(C、T)，当T不变时，即T恒定，则q=f(C)，叫吸附等温线。WC)V(Cq03.2吸附等温线/式•吸附等温线/式–吸附量q不仅与C有关，还与T有关。–在一定T下，q随平衡浓度C变化的曲线（q=f(C)）叫吸附等温线。用数学公式描述则叫吸附等温式。•吸附式–朗谬尔公式；–费兰德利希公式；–BET公式理论假设，1918年提出：吸附剂表面均一吸附是单分子层的吸附是动态的吸附速度正比与组分分压吸附质在固体表面上无分子间作用力Langmuir吸附等温式——较合适高浓度吸附Langmuir等温式形式为：将上式变换成以下形式，使用时较方便：a,b—为常数，Ce—平衡浓度，mg/LeeebC1abCqa1C1ab1q1ee＋得到1/q与1/c成直线关系，可用图解法求出a、b2.2吸附平衡与吸附等温式经验式：式中K，n——常数；Ce——平衡浓度，mg/L。一般认为，1／n值介于0.1～0.5之间时易于吸附，而＞2时难以吸附。n1eeKCqFreundlich吸附等温式：平衡浓度和吸附量都不存在极限值。适于中等浓度吸附取对数：CnKqlg/1lglg可得到一条近似直线而求出K及n。1/n较大则采用连续吸附，反之采用间歇吸附。Langmuir公式对很多物理吸附符合不好，而Freundlich公式常能得出较满意的结果。B.E.T吸附等温式——多分子层吸附B.E.T吸附等温线B.E.T吸附等温式假定发生多分子层吸附。在原先被吸附的分子上面仍可吸附另外的分子，而且不一定等第一层吸满后再吸附第二层。第一层吸附是靠吸附剂与吸附质问的分子引力，而第二层以后是靠吸附质分子间的引力。总吸附量等于各层吸附量之和。式中a，B——常数；Cs——吸附质饱和浓度，mg/LCe——平衡浓度，mg/L。1)(Ce/Cs)-(B1Ce)-(CsBaCqee取倒数:可以通过图解求出B及q0的值。SeeSeCCBaBBaqCCC11)(4吸附速率•吸附速度是指单位时间内被吸附的吸附质的量(kg/(g.s))•吸附速度V与体系的性质（吸附剂、吸附质性质）、操作条件（T、P、t）及两相的组成等有关。•开始时吸附质浓度高，传质推力大，吸附快；随吸附的进行，速率降低，最终趋于零而达到平衡。•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。min)/(,/ggtqV单位吸附过程吸附反应速度非常快，不会成为控制步骤，主要取决于第I、II阶段速度。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(分子扩散、对流扩散)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剂颗粒越小，速度越快整个吸附过程的总阻力为外扩散与内扩散两个分传质阻力之和。对于一般的吸附过程，内扩散慢，是控制过程。有时，流体与固体接触时，在固体表面处有一层滞流膜，分子扩散通过滞流膜的传递过程很缓慢，而相对来说，内扩散很快，这时，外扩散就成了控制过程。d的大小对内、外部扩散都有很大影响，d↓,V↑。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。5、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内因吸附剂的性质：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。极性分子(或离子)型的吸附剂容易吸附极性分子(或离子)型的吸附质。非极性分子型的吸附剂容易吸附非极性的吸附质。外因废水pH值在酸性液中吸附高吸附质的基本性质溶解度、极性、分子大小、浓度等。如：溶解越低越易吸附；浓度低时，C↑可增加吸附量，以后随C↑，q增加很小。共存物质降低吸附率温度升温不利，因物理吸附过程放热。接触时间需达到一定时间才达吸附平衡。吸附质性质的影响不同吸附剂，随吸附质性质差异而吸附效果不同。而活性炭吸附有机物其吸附量随有机物分子量的增大而增加（不能过大）。如活性炭对有机酸的吸附量按甲酸＜乙酸＜丙酸＜丁酸的次序而增加。活性炭处理废水时，对芳香族化合物的吸附效果较脂肪族化合物好，不饱和链有机物较饱和链有机物好，非极性或极性小的吸附质较极性强吸附质好。2.3影响吸附的因素6吸附操作方式（工艺和设备）操作方式连续式间歇式将废水和吸附剂放在吸附池内进行搅拌30min左右，然后静置沉淀，排除澄清液固定床移动床流化床吸附剂固定填放在吸附柱(或塔)中定期将接近饱和的一部分吸附剂从吸附柱中排出，同时加入等量的新鲜吸附剂吸附剂在吸附柱内处于膨胀状态6.1静态吸附•工艺过程：把一定数量的吸附剂加入预处理的废水中，不断地进行搅拌，达到吸附平衡后，停止操作，进行液体与吸附剂的分离。一般用过滤的方法。•在搅拌槽中要求吸附剂颗粒悬浮，与液体充分接触。另一方面为了减少内扩散阻力，增大液固接触表面，所以一般用细颗粒吸附剂。•操作温度在允许的情况下应尽可能高，因为温度高，液体粘度小，扩散速度快，颗粒易于在液体中移动，保证液固的良好接触。当然温度高对吸附平衡不利，但扩散速度加快的有利面通常可以抵消对平衡的不利影响。6.2固定床•分升流式和降流式。降流式如右图。•降流式出水水质好，但水头损失较大，特别是SS较高时，为了防止SS堵塞吸附层，需定期反冲洗。•在升流式固定床中，当发现水头损失增大，可适当提高水流流速，使填充层稍有膨胀就可以达到自清的目的。但对废水入口处(底层)吸附层的冲洗困难。另外流量变动时吸附剂易流失。固定床的操作特性•当流体通过固定床吸附剂颗粒层时，流体中的溶质被吸附剂吸附，随着流体的不断通过，床层中吸附质的含量不断增加，其在床层中的分布不断变化。基本概念吸附带：正在发生吸附作用的那段填充层，吸附带下部的填充层几乎没有发生吸附作用，吸附带上部已饱和。吸附带长度δ：从ta到tb的△t时间内，吸附带所移动的距离叫吸附带长度δ吸附带的移动速度：V=δ/△tVL（2~10m/h）穿透曲线：以吸附时间或吸附柱出水总体积为横坐标，以出水吸附质浓度为纵坐标所绘制出的曲线叫穿透曲线。穿透点：当出水吸附质浓度Ca为(0.05~0.10)C0时所对应的出水总体积或吸附时间的穿透曲线上的那一点叫穿透点。吸附终点：出水浓度Cb为(0.90~0.95)C0时所对应的出水总体积的穿透曲线上的那一点叫吸附终点（耗竭点）。图10-1多柱串联试验ⅤⅢⅡⅠCCbCaQ04321Ⅳ56将多根柱串联起来。填充层总高度为3~9m，在不同高度处设取样口，首先从第一个柱进水，依次通过第2、3、4柱。当第1柱出水C1=（0.9~0.95）Co时