第四章水的吸附处理

1第四章水的吸附处理水的吸附处理（Adsorptiontreatment）主要是利用吸附剂（Adsorbent）吸附水中某些物质。2在工业用水处理中，主要是利用活性炭（ActiveCarbon简称AC）来吸附水中的有机物质和余氯。活性炭是最常用的吸附剂，有时还会使用其它的吸附剂，比如大孔吸附树脂等。本章内容§1吸附§2活性炭概况§3活性炭在工业用水处理中应用§4活性炭再生§5水处理中使用的其它吸附剂3§1吸附一、吸附原理和吸附类型1、吸附原理吸附之所以产生，是因为固体表面上的分子受力不平衡，这种力的不平衡，就促使固体表面有吸附外界分子到其表面的能力，这就是表面能。按照热力学第二定律，当液相（或气相）中吸附质被吸附到固体（吸附剂）的表面上时，固体表面的表面能会降低，因而吸附是一个自动进行的过程。吸附剂表面吸附的吸附质量可用经典的吉布斯方程来表示：4式中－吸附量；C－吸附质在主体溶液中的浓度；R－气体常数；T－绝对温度；r－表面能（表面张力）。该方程表示，随吸附量的增加，吸附剂表面能下降。如果吸附量减少（为负值），则吸附剂表面能会增加。吸附量减少就是解析，解析是吸附的逆过程，它是不能自动进行的，必须在某些特定条件下才能发生。5dCdRTC吸附剂对吸附质的吸附，根据吸附力的不同，可以分为三种类型：物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。（1）物理吸附特点分子间力(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。62、吸附类型化学反应，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。（3）离子交换吸附特点正负电荷间静电引力引起；吸附剂表面带电点；离子置换；离子电荷数和水合半径影响大。活性炭吸附水中有机物主要是物理吸附，活性炭去除水中余氯还伴有化学吸附产生。7（2）化学吸附特点8二、吸附容量和吸附等温线(式)1、吸附平衡吸附过程是可逆的，当吸附速度和解吸速度相等时（即V吸附=V解吸），则吸附质在溶液中的浓度和吸附剂表面上的浓度都不改变而达到平衡，此时吸附质在溶液中的浓度称为平衡浓度(Ce)。92、吸附容量（qe）式中qe——在平衡浓度为Ce时的吸附容量，mg/g；V——吸附质溶液体积，L；Co、Ce——分别为吸附质的初始和平衡浓度，mg／L；W——吸附剂量，g。10WccVqee)(0在一定温度下，qe随平衡浓度Ce变化的曲线（qe=f(Ce)）叫吸附等温线；用数学公式描述则叫吸附等温式。吸附等温线有三种类型：（1）朗格谬尔（Langmuir）型bCeCebqqe10式中q0－吸附剂的吸附容量极限值，mg/g；b－常数项，L/mg。朗格谬尔吸附等温线由于存在吸附极限，所以通常认为是单分子层吸附。113、吸附等温线(式)12（2）BET型（由Brunauer，Emmett和Teller提出）])1(1)[(0seeseeCCBCCqBCq式中：B－常数项；Cs－吸附质平衡浓度的最大值（饱和浓度）。BET型吸附等温线属于典型的多层吸附，但忽略了吸附剂吸附表面不均一的事实。1314(3)富兰德里胥（freundlich）型neekCq1式中：K－吸附常数；n－吸附指数。1/n越小:吸附性能越好，1/n=0.1-0.5，容易吸附；1/n2:则难吸附；1/n较大:则采用连续吸附，反之采用间歇吸附。15eecnKqlg1lglg1617吸附等温(式)线的应用：（1）确定某种吸附剂对水中不同吸附质的吸附效能；（2）比较不同吸附剂对水中同种吸附质（污染物）的吸附效能；（3）判断不同吸附剂对水中吸附质的吸附特性；（4）确定达到一定处理要求所需的吸附剂的用量；（5）是确定吸附工艺的运行方式和装置设计的重要的依据。三、吸附速度tmCCVt)(0式中－t时间内平均吸附速度，mg/g﹒min；t－取样时间，min；V－试样体积，L；C0－吸附质初浓度，mg/L；Ct－t时间取样测定的残余浓度，mg/L。吸附剂的吸附速度主要与吸附剂颗粒大小、吸附剂周围水流速度及湍流情况以及吸附剂的孔结构和吸附质性质等因素有关。18第一阶段为吸附质扩散通过水膜而到达吸附别表面(膜扩散)；第二阶段为吸附质在孔隙内扩散；第三阶段为吸附质在吸附剂内表面上发生吸附。通常吸附阶段反应速度非常快，总的过程速度由第一、二阶段速度所控制。在一般情况下，吸附过程开始时往往由膜扩散控制，而在吸附接近终了时，内扩散起决定作用。19吸附过程基本上可分为三个连续的阶段：20四、吸附的影响因素1、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、表面化学性质(吸附剂是否是极性分子)等。212、吸附质的性质吸附质的溶解度，表面自由能，极性，吸附质分子的大小，吸附质的浓度等。2223物理吸附为放热过程，温度升高，吸附量下降。4、pH值影响着吸附质的存在状态和吸附剂的表面特性。243、温度对于物理吸附，共存多种物质时的吸附比单一物质时的吸附要差；Ca2+、Mg2+离子能提高活性炭对腐殖质类化合物吸附容量。6、接触时间0.5-1.0h(流速5-10m/h)255、共存物质§2活性炭概况一、活性炭制取1、原料木材、煤炭、石油（石油渣、沥青、柏油等）、果壳（椰子壳、杏核、山桃壳等）、塑料、旧轮胎、废纸、稻壳、秸秆等。2、制造工艺26（1）碳化——在500～600℃下隔绝空气进行（2）活化——把活性炭内部的孔打通和扩大，增加活性炭比表面积（可达到1000m2/g）。2728①物理活化（气体活化）——这是用水蒸气在900℃左右进行活化，水蒸气中掺和一部分CO2（或空气）；②化学活化——它是用药品同时进行碳化和活化，常用的药品有ZnCl2、CaCl2、H3PO4、KOH、HCl、K2CO3等。29活化方法：3031活性炭①颗粒状活性炭（GranularactivatedCarbon，简称GAC）；②粉状活性炭（PowderedactivatedCarbon，简称PAC）；③活性炭纤维（Activatedcarbonfiber，简称ACF）等。323、活性炭产品二、活性炭结构活性炭通常被认为是无定形碳，活性炭的氧化物成分也影响活性炭吸附，活性炭在高温有氧条件下活化，在其表面会形成一些含氧基团，高温活化（800～900℃）容易形成碱性基团，低温活化（300～500℃以下）容易形成酸性基团。常见的酸性基团以羟基，内脂基为主，常见的碱性基团是含有氧萘结构的基团。33活性炭最主要的结构特征是它的孔结构，描述孔结构的指标是比表面积、孔径、孔径分布、和孔容。活性炭不同尺寸孔的孔容和孔面积孔类型孔直径（nm）孔容（mL/g）孔面积（m2/g）孔隙数（个/g）大孔500.2～0.50.5～21020过渡孔（中孔）2～500.02～0.21～200微孔20.25～0.9500～150034活性炭细孔分布及作用图35三、活性炭型号命名活性炭型号第一部分符号意义符号ZGMJ意义木质果壳（核）煤质废活性炭36活性炭型号第二部分符号意义符号HW意义化学法活化物理法活化活性炭型号第三部分汉语拼音符号意义符号FBYQ意义粉状活性炭不定形颗粒状活性炭圆柱形活性炭球形活性炭37活性炭型号中尺寸标示范例活性炭形状标注法示例意义不定形颗粒状活性炭下限×上限35×59表示粒度范围0.35～0.59mm圆柱形颗粒活性炭直径30表示圆柱横截面直径3mm球状颗粒活性炭直径20表示球体直径2mm粉末炭与不定形颗粒活性炭的区别是以外观尺寸0.18mm为限，大于0.18mm颗粒占多数的为不定形颗粒活性炭，小于0.18mm颗粒占多数的为粉状活性炭。如水处理用的果壳（核）不定形颗粒活性炭即以GWB表示，若粒度为0.63～2mm，则其型号为GWB63×200。38四、活性炭理化性能指标（1）外观（2）粒度和粒径分布不定形活性炭粒度范围一般在0.63-2.75mm之间，粉末状活性炭颗粒0.18mm（一般在80目以下），柱形活性炭一般直径3-4mm，长2.5-5.1mm。（3）水分（4）表观密度（充填密度）约为0.4～0.5g/cm3。39（6）灰分（7）漂浮率（8）pH（9）亚甲基蓝吸附值（10）碘吸附值（11）苯酚吸附值（12）四氯化碳吸附率（13）ABS值40（5）强度§3活性炭在水处理中应用（1）在工业用水处理中，将活性炭用来降低水中有机物和去除水中余氯，有的场合以降低水中有机物为主，有的场合以去除水中余氯为主，但在实际应用中，往往是对二者均起作用；（2）在生活饮用水处理中，活性炭主要用来降低水中有机物，以降低水氯化消毒时产生的有致突变性的副产物(DBP)；（3）在废水处理中，使用活性炭是用来吸附水中的重金属、油、有机污染物等。41一、吸附水中有机物的活性炭的选用活性炭的选用一般要从物理性能和吸附性能二方面进行考虑：1、物理性能①颗粒尺寸粒状活性炭一般在0.63-2.75mm之间；②水分商品活性炭含水率在10％以下；③强度水处理中使用的颗粒炭的强度应在90％以上。在膜处理之前时，对活性炭强度应提出更高要求（≥94％）；④灰份一般要求活性炭灰份5％；⑤充填密度一般为0.4～0.5g/cm3；⑥漂浮率活性炭漂浮率应控制在5％以下。42是活性炭的主要指标。选用吸附性能好的活性炭，不仅可以提高出水品质，还可延长活性炭的使用寿命，减少经济费用。比表面积、碘吸附值、苯酚吸附值、亚甲基蓝脱色力、ABS值等，可用来表示活性炭吸附性能。正确选择水处理中吸附水中有机物性能好的活性炭，可以采用实际水样或天然水中典型有机物进行静态、动态吸附试验（吸附等温线和吸附速度、柱式吸附试验）。432、吸附性能二、吸附水中有机物的粒状活性炭床设计工业活性炭滤床对天然水中有机物去除率正常时一般为40～50％（以CODMn或UV254计算），在新活性炭投运初期去除率可稍高，达70～80％。活性炭失效是以活性炭床对水中有机物去除率降至15～20％时为标准，或者活性炭床出水有机物浓度超过要求时活性炭当作失效。运行周期（活性炭使用寿命）：)CQ402eCqhdT（活性炭对水中有机物吸附容量一般经验值为200gCODMn/Kg。444546粒状活性炭床主要设计参数：V5-10m/hZD5NTUH=1.5-2.0mq=200gCODMn/Kg。平均CODMn去除率=50％固定床吸附塔示意图粒状活性炭吸附层47活性炭吸附设备48流动床吸附塔构造示意图49三、吸附水中有机物的粉状活性炭处理在混凝过程中，当絮凝体尺寸长大到与分散的粉末活性炭大小尺寸（约0.1mm）相近时投放粉末活性炭，可以充分发挥粉末活性炭吸附能力。50四、脱除水中余氯的活性炭处理1、活性炭脱除水中余氯的原理一般认为，活性炭脱氯过程是吸附、催化和氯与炭反应的一个综合过程，活性炭作为还原剂把次氯酸还原为氯离子。51在酸性或中性条件下，主要是以HOCl形式存在，HOCl遇到活性炭会氧化活性炭，在活性炭表面生成氧化物（或CO，CO2），HOCl被还原成H+和Cl-。水通过活性炭滤床后，水中余氯可以彻底去除，出水余氯可以降为0，3Kg余氯/Kg。2、脱除水中余氯的活性炭种类选择脱除水中余氯的粒状活性炭滤床的流速可以设计为20m/h。半脱氯值——是指含余氯的水通过一活性炭吸附柱，确定当出水中余氯浓度刚好等于进水中余氯浓度一半所需要的炭层高度（cm）。按规定，半脱氯值小于6cm的活性炭用于脱氯时效果较好。（1）物理性能（同吸附有机物）（2）吸附性能——一般吸附性能；吸附等温线；半脱氯值。52（1）活性炭颗粒大小选择小的（2）pH低pH对活性炭脱除水中余氯有利533、影响活性炭脱除余氯的因素温度升高有利于活性炭脱氯（4）水的浊度54（3）温度五、活性炭纤维和生物活性炭处理1、活性炭纤维（ACF）与粒状活性炭相比，活性炭纤维具有下列特点：①比表面积大，可达1000～2500m2/g，多为微孔，孔径分布密，孔直接开口于炭纤维表面；5556③有利于提高吸附材料利用率及提