水处理工程吸附7(完整)

第七章吸附吸附的基本理论吸附剂及其再生吸附工艺与设计吸附法的应用水处理工程水处理工程固体表面的分子或原子因受力不均衡而具有剩余的表面能，当某些物质碰撞固体表面时，受到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上，这就是吸附。这里的固体称吸附剂。被固体吸附的物质称吸附质。吸附的结果是吸附质在吸附剂上浓集，吸附剂的表面能降低。在水处理领域，吸附法主要用以脱除水中的微量污染物，应用范围包括脱色，除臭味，脱除重金属、各种溶解性有机物、放射性元素等。在处理流程中，吸附法可作为离子交换、膜分离等方法的预处理，以去除有机物、胶体物及余氯等，也可以作为二级处理后的深度处理手段，以保证回用水的质量。水处理工程第一节吸附的基本理论一、吸附的机理和分类1.原理：•一种物质自动地向另外一种物质表面转移，最后吸附在另一种物质表面的过程，叫吸附；涉及到相界面的一种反应过程；•吸附发生在：气液界面、气固界面、液固界面（主要针对这一方面，将固体物质叫吸附剂，液体叫吸附质）•吸附发生的原因：表面分子受到净的向内的拉力而具有较高的能量，它力图吸引其它物质分子使之富集于表面上以降低物系的能量；•溶质的疏水特性和溶质对固体颗粒的高度亲和力•静电吸引力，范德华力或化学键力水处理工程2.分类•按作用力分三类–物理吸附：基于分子引力，分子间作用力，吸附热小»特征：吸附时表面能降低，所以是放热反应；吸附比较没有选择性；不发生化学反应，不需要活化能，低温就能进行；吸附质在吸附剂表面自由转移，易解吸。–化学吸附：化学键力作用，产生化学反应，如石灰吸附CO2，产生单分子层吸附，吸附一般不可逆–离子交换吸附：溶质的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表面的带电点上，并置换出原先固定在这些带电点上的其他离子。–实际水处理中，上述三种可能并存，但可能一种占主导二、吸附平衡及吸附等温式1.吸附平衡•吸附速度＝解析速度→动态平衡•吸附能力qe—单位吸附剂所吸附的物质的数量为平衡吸附量。•计算WccVqee)(0水处理工程•常用吸附等温线有三种类型：•在温度一定的条件下，如V、C0一定，改变投炭量，则发现水中剩余的溶质浓度C及q也随之改变-说明吸附量与剩余浓度不是线性关系–2.吸附等温式—计算及应用•①Langmuir等温式•假设条件：–吸附剂表面均一，各处的吸附能相同；–吸附是单分子层，吸附剂表面饱和时，吸附量最大；–表面上没有吸附质转移运动；–平衡时吸附速度＝脱附速度•平衡吸附量qe与液相平衡浓度ce的关系为：•计算过程：eeebcabcq1水处理工程Ⅰ型Ce没有极限值，但qe却有一个极限值,Langmuir型；Ⅱ型Ce有一个极限值Cs，称为饱和浓度，但qe却没有极限值，BET型；Ⅲ型Ce与对等的qe都没有极限值，Freundlich型；ⅠqeceⅢqeceⅡqececs水处理工程aab11aba11eq1eeqceecc1(a)Langmuir模型acabqee1111abcaqceee11变换式：据吸附实验数据，按式作图可求出a、b值。当吸附量很小时，即当b·ce1时，qe=abce,即qe与ce成正比，等温线是一条直线；当吸附量很大时，即当b·ce1时，qe≈a,即平衡吸附量接近于定值，等温线趋于水平。eeebcabcq1水处理工程•②BET等温式–多分子吸附–CS—吸附质的饱和浓度；B-常数，与吸附剂和吸附质之间的相互作用能有关。–线性形式–实验数据作图，求常数a和B。•③Freundlich等温式–经验公式：qe=Kce1/n–取对数：–实验数据作图，出斜率1/n，截距等于lgK；–1/n介于0.1～0.5,易于吸附；1/n2难以吸附。•实际应用时用哪一个等温式？]/)1(1)[((seeseeccBccBacqseeseeccaBBaBccqc)1(1)(eecnKqlg1lglg水处理工程)(eseeccqcsecc/aBB1aB1cs值估计偏低cs值估计偏高(b)BET模型需要知道饱和浓度CS的值,数据足够可以以此作图即得直线;对CS值进行估计，估值正确才能画出一条直线来平衡浓度很低时，可简化为Langmuir模式。]/)1(1)[((seeseeccBccBacqeeebcabcq1eseseccBaccBq1水处理工程n1Klgeqlgeclg(c)Freundilich模型Freundilich在一般范围内与Langmuir式接近，但在高浓度时不像后者那样趋于定值；在低浓度时，也不会还原为直线。水处理工程•对于一组吸附实验数据，究竟采用哪一公式整理，并求出相应的常数来，只能运用数学的方式来选择。通过作图，选用画出最好的直线的哪一个公式。•都能应用的情况，选用最简单的公式。水处理工程•④多组分体系的吸附等温式–用COD或TOC综合表示溶解于废水中的有机物浓度，其吸附等温式可用单组分吸附等温式表示，但吸附等温式可能成曲线或折线。–假定吸附表面均一，混合溶液中的各种溶质在吸附位置上发生竞争吸附，被吸附的分子之间的相互作用可忽略不计，用Langmuir竞争吸附模式来计算；三、影响吸附的因素吸附剂本身、吸附质本身、环境条件（一）吸附剂的结构•1.比表面积—比表面积越大越好，对大分子可能不利•2.孔结构—细孔的分布—大、中（过渡）、微孔；大孔通道，中孔吸附大分子，观察用于水处理并被饱和的活性炭细孔分布与新鲜活性炭对比，微孔大量减少，此部分吸附起支配作用。mjjjiiiicbcbaq11水处理工程理论与应用[日]井出哲夫建筑工业出版社水处理工程•3.表面化学性质—表面氧化物—酸、碱两类–低温活化(500)的碳可以生成表面酸性氧化物，水解后可以放出H+，吸附碱金属氢氧化物–高温活化（800-1000）的碳生成表面碱性氧化物，水解后可放出OH-基团，吸附酸性物。(二)吸附质的性质•溶解度—活性炭是疏水性物质，低—吸附增加•极性—非极性和极性小的好•分子量—不应太大，1000•溶质浓度-一般是浓度增加吸附量呈指数增加，也有例外(三)操作条件•温度—吸附放热，低温有利•pH-对吸附率有影响•接触时间—足够的接触时间，0.5～1.0h水处理工程四、吸附动力学1．水膜内的物质迁移速度由Fick定律，水膜内的传质速度NA由下式结出：(7-12)式中D——溶质在水膜中的扩散系数，m2/L；δ——水膜厚度，m；kf——水膜传质系数，m/L；c——水中溶质的浓度，kg/m3；ci——颗粒表面的溶质浓度，kg/m3。固定床填充层单位容积的吸附速度为(7-13)式中ρb——填充层的表现密度，kg/m3；av——填充层单位容积的颗粒外表面积，m2/m3。水处理工程膜扩散孔扩散吸附活性炭吸附过程示意水处理工程关于传质系数kf，曾提出了各种实验公式，如Carberry公式为式中u—一空塔水流速度,m/h；ε——填充层的孔隙率；μ——水溶液的动力粘滞系数,kgF/(m·h)；ρ——水溶液密度，kg/m3；dp——吸附剂粒径，m。(7-14)水处理工程2.内孔扩散速度多孔性物质内部的扩散现象极为复杂，受到细孔扩散和细孔壁表面扩散两方面的影响，但类似于分子扩散，均以扩散物质的浓度梯度作为推动力。其中通过细孔内液相向颗粒内部扩散的速度为(7-15)式中NP——细孔内的扩散速度，kg/(m2.h)；DP—一细孔内有效扩散系数，m2/h；c----细孔内溶液浓度，kg/m3；r——扩散方向的距离，m。水处理工程细孔壁上的表面扩散以吸附量梯度为推动力，沿表面从吸附量大处向小处作二维移动。表面扩散系数与吸附质分子的大小、温度、吸附质与吸附剂之间的结合能有关。其速度为：(7-16)式中Ns—一表面扩散系数，kg/(m2·h)；ρa—一吸附剂的表观密度,kg/m3；Ds—一表面扩散系数，m2/h。颗粒内总扩散速度为武（7-15）与（7-16）之和,即(7-17)水处理工程假定在细孔内某一位置处表面吸附量与溶液浓度之间呈平衡状态，则有(7-18)将上式代入式（7-17）得（7-19）式中Di是以溶液浓度为基准的颗粒内有效扩散系数，m2/h.在溶质浓度很高，吸附前后浓度变化不大的条件下,Boyd导出以下近似式估计颗粒内有效扩散系数和吸附速度:(7-20)水处理工程3．吸附速度的测定吸附速度的测定装置如图7-8所示。将200目以下的一定量的吸附剂加入反应瓶A中，一边搅拌一边从B处注入被吸附溶液，经过一段时间接触后，每隔一定时间取一次悬浮液进入C内，使吸附剂与溶液立即分离，测定液相溶质浓度，求出吸附量和去除率；从而确定吸附速度。水处理工程第二节吸附剂及其再生一、吸附剂–要求：•吸附能力强；吸附选择性好；吸附平衡浓度低；容易再生和再利用；机械强渡好；化学性质稳定；来源广；价廉。1.活性炭•多种原料制得—动植物、煤、石油、纸浆废液、废合成树脂等•活化是关键：–药剂活化—与ZnCl2、H2SO4、H3PO4等混合后，升温炭化–气体活化—成型后的炭化物在高温下与CO2、水蒸汽、空气、及类似气体接触，利用这些气体进行碳的氧化反应，除去挥发性有机物，微孔更发达。•比表面积大，500～1700m2/g水处理工程2.树脂吸附剂—合成树酯•一种新型有机吸附剂，具有网状结构，呈多孔海绵状，加热不熔化，可在150℃下使用，不溶于酸、碱，比表面积达800m2/g。•四种类型：非极性、中极性、极性和强极性•最适宜于处理微溶于水，极易溶于甲醇、丙酮等有机溶剂，分子量略大和带极性的有机物。3腐植酸系吸附剂•处理工业废水，重金属废水及放射性废水，除去离子•性质结构：芳香结构的、性质相似的酸性物质的复合混合物•分两大类：天然的富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐煤等；把富含腐植酸的物质用适当的粘合剂做成腐植酸树脂。•处理离子：Hg、Zn、Pb、Cu、Cd等水处理工程二、吸附剂再生–考虑吸附质的理化性质，吸附机理，吸附质的回收价值种类处理温度主要条件加热再生加热脱附高温加热再生（炭化再生）100～200℃750～950℃（400～500℃）水蒸汽、惰性气体水蒸汽、燃烧气体、CO2药剂再生无机药剂有机药剂(萃取)常温～80℃常温～80℃HCl、H2SO4、NaOH、氧化剂有机溶剂（苯、丙酮等）生物再生湿式氧化分解电解氧化常温100～200℃,加压常温好气菌、厌气菌O2、空气、氧化剂O2水处理工程水处理工程水处理工程第三节吸附工艺与设计分间歇和连续：–间歇：搅拌吸附–连续：通过吸附床一、间歇操作–搅拌池型：连续搅拌–泥渣接触型：类似澄清池1.多级平流吸附•原水经过n级搅拌反应池得到吸附处理反应池1原水Q,c0W1q1W1q0反应池2c1W2q2W2q0反应池3c2W3q3W3q0Q,c3处理水水处理工程活性炭过滤器水处理工程水处理工程水处理工程搅拌式吸附池进水排空排污取样集水渠出水1-进水管；2-喷嘴；3-喉管；4-喇叭口；5-第一反应室；6-第二反应室；7-泥渣浓缩室；8-分离室4235678泥渣接触型吸附池水处理工程2.多级逆流吸附•充分利用吸附剂的吸附能力，使接近饱和的吸附剂与高浓度的进水先接触：反应池1原水Q,c0反应池2c1反应池3c2Q,c3W,q1W,q4q2q3处理水新炭失效炭)()(011nnccQqqW经n级逆流吸附的总物料衡算式：操作线方程水处理工程二、固定床吸附在废水处理中常用固定床吸附装置。其构造与快滤池大致相同。吸附剂填充在装置内，吸附时固定不动，水流穿过吸附剂层。根据水流方向可分为升流式和降流式两种。降流式固定床吸附出水水质好，但水头损失较大，特别在处理含悬浮物较多的污水时，需定期进行反冲洗，有时还需在吸附剂层上部设表面冲洗设备。水处理工程水处理工程1.穿透曲线（1）吸附带：指正在发生吸附作用的那段填充层，在吸附带下部的填充层几乎没有发生吸附作用，而在吸附带上部的填充层已达到饱和状态，不再起吸附作用。（2）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。（3）穿透