17吸附离子交换

水污染控制工程WaterPollutionControlEngineering唐玉朝安徽建筑工业学院环境工程系E-mail:[e-mail]talEngineering,AnhuiUniversityofArchitectureCopyrightReserved!课程内容第五节吸附吸附原理,吸附等温式,吸附剂,吸附工艺第六节离子交换离子交换原理,交换树脂,交换平衡与计算吸附法WaterPollutionControlEngineering吸附吸附概述吸附等温式吸附剂吸附速率吸附工艺吸附设计简介吸附1.1吸附原理：固体表面的分子或原子因为受力不均匀具有剩余的表面能，该力能够吸引其他物质在固体的表面上。固体称吸附剂，被吸附的称吸附质，吸附的结果是吸附质在吸附剂表面浓缩，而吸附剂的表面能降低。WaterPollutionControlEngineering1.吸附概述吸附在水污染控制工程中吸附指利用多孔性的固体物质吸附水中污染物质到固体物质表面从而将污染物去除的方法。对废水中无机、有机污染物、重金属都有效，适宜处理低浓度废水(深度处理)。WaterPollutionControlEngineering吸附1.2吸附类型：物理吸附，是分子间力范德华力，吸附热小，可以单层也可多层吸附，吸附无选择性，容易解吸，是可逆吸附，低温下物理吸附大，吸附量与表面积成比例。化学吸附是形成化学键的吸附，吸附热大，具有选择性，单分子层吸附，化学键、离子交换或形成配位体。物理化学吸附常常同时发生。WaterPollutionControlEngineering吸附吸附气体时则物理吸附热与气体液化热相当，而化学吸附与化学反应相当。WaterPollutionControlEngineering作用力吸附热是否可逆选择性吸附层数物理吸附范德华力小,气体液化热可逆无单、多分子层化学吸附化学键大,化学反应热不可逆有单分子层物理吸附与化学吸附的比较返回吸附等温式吸附等温式是描述吸附量与平衡时液相中吸附质浓度的关系的数学式。吸附等温式描述的是物理吸附。Langmuir吸附等温式Freundlich吸附等温式BET吸附等温式(Henry等温式)WaterPollutionControlEngineering2.吸附等温式(等温线)①Langmuir吸附等温式：Langmuir第一个对吸附现象进行系统研究，提出“单分子层吸附理论”。假设固体表面各处的吸附力场均匀相同，表面吸附单分子层就饱和，且被吸附分子无相互作用，物理吸附。吸附速率：Va＝kaC(1－θ)……..(1)脱附速率：Vd＝kdθ……..(2)θ表示被吸附的分子占据固体表面的覆盖度。C为吸附质浓度，ka、kd为吸附和脱附速率常数。WaterPollutionControlEngineering吸附等温式吸附等温式平衡时：kaC(1－θ)＝kdθkdθ+kaCθ＝kaCθ＝＝，k1=ka/kd若以q、qm分别表示吸附量和饱和吸附量，则θ＝q/qmCkkCkadaCkCk111WaterPollutionControlEngineering吸附等温式θ＝q/qm=即为Langmuir吸附等温式，在液相中C实际是吸附质的浓度。CkCk111Cqkqqmm11111WaterPollutionControlEngineeringCkCkqqm111吸附等温式Langmuir吸附等温式吸附质在液相浓度C与吸附量q的关系q=qm·k1C1,q=qmk1C1,q=qmk1·CWaterPollutionControlEngineeringCkCk1110Cqqmk1C1k1C1吸附等温式Langmuir吸附等温式1/C对1/q的关系=WaterPollutionControlEngineeringq1Cqkqmm11111/q01/C1/qm1/qmk1吸附等温式②Freundlich吸附等温式(经验式):q＝KC1/nlgq=lgK+lgCK，n为常数，在低浓度下较适用。K大小反映吸附性能，越大吸附量越大，n小吸附困难，而n大，吸附容易。n1WaterPollutionControlEngineering吸附等温式Freundlich吸附等温式lgC与lgq的关系lgq=lgK+lgCK大小反映吸附性能，越大吸附量越大;n小吸附困难，而n大，吸附容易.注意：1/n反映了增量，增量大未必容易吸附，故n1难吸附WaterPollutionControlEngineeringn1lgq0lgClgK1/n吸附等温式Freundlich吸附等温式吸附质在液相浓度C与吸附量q的关系q＝KC1/n因为Freundlich吸附等温式通常适用于低浓度情况。WaterPollutionControlEngineeringqCn1n=1n1K吸附等温式③BET吸附等温式：可以解释实验观察到的5种物理吸附等温线，假设固体表面是均匀的，可以为多分子层吸附，每一单层符合Langmuir吸附，第二层以后的吸附是分子间的引力。])1(1)[(ssmCCkCCCqkqWaterPollutionControlEngineeringsmCCkCsCkqq1如果Cs》C,则：近似简化为Langmuir吸附等温式返回吸附剂固体物质都有吸附能力，只有具有巨大比表面积或很细的颗粒可以作为吸附剂使用。水污染控制要求吸附剂吸附能力强,吸附选择性好,平衡液相浓度低,容易再生利用,机械强度高,化学稳定性高,来源广价格低等。废水处理用的吸附剂：活性炭,吸附树脂,腐殖酸类,粘土矿物,硅藻土,活性氧化铝等。WaterPollutionControlEngineering3.吸附剂吸附剂(1).活性炭：是以含炭物质为原料经过热脱水(120-130℃),高温炭化(200-600℃)和活化(700-900℃)制备的疏水性吸附剂，形状为粉末(几十微米),颗粒(圆柱形,无定型,大小数毫米),纤维状活性炭,粉末炭再生困难一般不重复利用,而颗粒炭造价高,但可以再生利用.活化过程可以用药剂活化(化学)或气体活化(物理).性质：①比表面大(2000m2/g),微孔发达,2nm微孔,占活性炭比表面积的95％,过渡孔2-100nm,比表面积5%,100nm大孔.②具有好的吸附性能及化学性质稳定,耐酸碱.WaterPollutionControlEngineering吸附剂活性炭再生：1.加热再生:原理是挥发(容易脱附,低沸点分子量小的化合物,100-200℃),热分解(分解为小分子),炭化(难脱附的有机物).高温热再生分干燥,炭化,活化过程.需要少量的氧气以氧化有机物但不使活性炭燃烧损失.恢复95%,烧损5％,方法简单,效果好,适应性广且无废液产生,但能耗大.WaterPollutionControlEngineering吸附剂WaterPollutionControlEngineering泥浆泵失效炭脱水罐螺旋传送器废气处理装置再生炉水蒸汽冷却罐再生炭储罐炭末排水再生炭高温加热再生系统活性炭浆池吸附剂2.药剂再生:通过化学反应使吸附质转化为可脱附易溶解的物质而解吸.需要选择合适的化学物质,如常用有机溶剂脱附,化学再生损失小，而且可以在吸附塔内进行,物质容易回收利用,但再生效率低,再生不完全.3.氧化再生:湿式氧化,电氧化,生物氧化,O3氧化等.WaterPollutionControlEngineering吸附剂(2).吸附树脂:具有立体网状结构,结构可根据需要控制,故适应广,选择性高,再生容易.类似吸附和离子交换之间的技术,具有活性炭吸附能力强的优点,比离子交换树脂容易再生,多用来处理水中微量极性物质.如TNT废水毒性大,活性炭处理后再生困难(难脱附,热再生易爆炸),而吸附树脂可以高效处理且回收.WaterPollutionControlEngineering(3).活性氧化铝,沸石,硅胶具有多孔结构的以Al2O3,SiO2成分为主的吸附剂。活性氧化铝:铝水合物加热处理，包括(水合)Al2O3,氢氧化铝晶体等。沸石：铝硅酸盐晶体，含Al2O3,SiO2成分。硅胶：硅酸聚合物，SiO2·H2O吸附剂WaterPollutionControlEngineering吸附剂(4).其他(腐殖酸,粘土矿物,粉煤灰等)腐殖酸:天然含腐殖酸的泥煤,褐煤等直接使用或简单处理.富含活性基团,离子交换,螯合,凝聚,物理吸附,化学吸附等作用,故适宜处理重金属废水.天然粘土矿物:种类多,来源广,价格低,使用方便,与腐殖酸一样也具有多重作用(吸附,凝聚,离子交换).WaterPollutionControlEngineering返回吸附速率单位质量的吸附剂一定时间内吸附吸附质的量，多孔吸附剂吸附的过程：①吸附质扩散通过水膜到达吸附剂的表面，(膜扩散)；②吸附质在吸附剂的孔隙内继续扩散达到吸附点，(内扩散)；③吸附反应。WaterPollutionControlEngineering4.吸附速率吸附速率Fick定律，水膜内的溶质传质速度V：V=D=D(C-Ci)/δ＝k(C-Ci)D扩散系数m2/h，k为水膜的传质系数m/h，(C-Ci)水膜内外的浓度差kg/m3，δ为水膜厚度m。dXdCWaterPollutionControlEngineering吸附速率吸附速度：＝VS=k(C-Ci)SS为吸附剂的比表面积，m2/kg。dtdqWaterPollutionControlEngineering吸附速率影响吸附的因素：①吸附剂性质，BET和孔结构：吸附剂的表面化学性质：表面酸性碱性,低温活化容易生成表面酸性活性中心,而高温易于形成碱性活化中心。吸附剂孔径大，对吸附质的内扩散是有利的，但比表面积小，孔径小，不利内扩散，而且大分子物质直径可能大于孔径。对活性炭来说，由于比表面积由微孔决定，所以对大分子物质需要预处理。WaterPollutionControlEngineering吸附速率吸附剂孔径大小与吸附的关系示意图WaterPollutionControlEngineering溶质分子水分子吸附速率②吸附质(污染物)性质溶解度，溶解度低容易被吸附；活性炭是非极性吸附剂，非极性溶质容易吸附，而活性氧化铝极性吸附剂，容易吸附极性溶质。吸附质的分子大小，活性炭容易吸附分子量大的溶质，而沸石容易吸附分子量小，饱和与不饱和溶质液影响吸附过程。WaterPollutionControlEngineering吸附速率WaterPollutionControlEngineering非极性极性饱和不饱和大分子小分子炭素氧化铝活性炭硅胶分子筛沸石各吸附剂的适用条件比较吸附速率③废水性质:pH和温度,pH影响吸附剂的表面化学性质,对吸附质主要影响其结构与溶解度等。温度对液相吸附影响较小,吸附放热,所以温度高对吸附不利,根据废水性质选择吸附剂。④反应条件:接触时间.吸附过程要搅拌,水膜的厚度要薄,吸附剂需要合适的pH,接触时间长,提高吸附剂的吸附容量,但设备处理能力降低,作为深度处理的预处理情况。WaterPollutionControlEngineering返回吸附工艺(1).间歇吸附(混合接触吸附装置)吸附剂与废水在反应器内混合,搅拌,静置.一般用粉末吸附剂,需要两个反应器,适宜水量小.WaterPollutionControlEngineering5.吸附工艺吸附工艺(2)．连续吸附1.吸附设备A固定床：吸附剂固定在吸附塔内，水流过吸附剂层,分为升流和降流式.降流式出水水质好,但水头损失大,需要定期反冲洗;升流式出水略差,吸附剂容易流失,提高进水流速使吸附剂稍微膨胀,可以达到相当于反冲洗的效果.WaterPollutionControlEngineering吸附工艺单床,多床串联,多床并联多床串连降流吸