(5)过滤-吸附理论培训

北京清大国华环保科技有限公司河南危险废物处置中心物化处理系统基础理论培训（五）过滤、吸附理论1.过滤理论原理过滤是利用过滤材料分离废水中杂质的一种技术。根据过滤材料不同，过滤可分为颗粒材料过滤和多孔材料过滤两大类。在废水处理中，颗粒材料过滤主要用于经混凝或生物处理后低浓度悬浮物的去除。常见的如滤池。多孔材料过滤一般用于悬浮物浓度较高或颗粒较大的情况。1.1滤网滤网－污水中含有的细小悬浮物，不能用格栅去除，也难用沉淀去除，可采用小孔眼的滤网截留，回收。筛网通常用金属丝或化学纤维编制而成。其形式有转鼓式、转盘式、振动式、转帘带式和固定式倾斜筛多种。筛孔尺寸可根据需要，一般为0.15～1.0mm。常用旋转式滤网，污水从外侧流入内侧，悬浮物被截留，然后用刮刀刮下运走。优：效率高，可回收有用的物质。缺：易堵塞。1.2滤池滤池－去除微量悬浮物，深度处理。1.2.1滤池过滤机理。1）机械筛滤作用－把滤料层作为筛子，某些粒径大于孔隙尺寸的杂质被截留，孔隙变小一些，于是后续的细小悬浮杂质也可被截留。2）沉淀作用－把滤料看作层层叠叠起来的多层沉淀池。利用巨大的沉淀面积截留水中微小粒子。3）絮凝作用－把滤料作为接触吸附介质，介质紧密排列，水在介质中流动时，杂质被吸附在介质表面并成长为大颗粒，巨大的表面积产生强烈的吸附能力。1.2.2截留杂质规律从接触絮凝作用考虑，杂质与滤料接触，被滤料表面分子间力吸附絮凝，同时水力冲刷可使絮凝杂质脱落向下层移动，被下层滤料截留。在过滤周期将终止时，表层滤料最细，吸附表面张力最大，截留的杂质最多，表层孔隙逐渐被杂质阻塞，尽管下层滤料还未发挥应有作用，但周期已终止，导致出现双层滤料，表层的滤料粒径大一些，截留的杂质多一些。1.2.3构造－污水滤料和给水滤料有许多相同之处，与给水滤料的不同之处如下：滤料粒径大，强度高，耐腐蚀，成本低。抗冲击性负荷，出现双层滤料。运行周期长。运行方式分为正向流和反向流。1.2.4滤料石英砂、无烟煤、陶粒、聚丙烯球、炉灰渣、烟道灰、焦炭、电化学滤料。1.2.5电化学滤料滤池原理－两种不同的金属直接接触，浸没在有传导性的电解质溶液里，可形成原电池，通过选用活性金属组成原电池可在它作用空间产生一个电场。电化学滤料滤池是利用污水中含有电解质物质，当铁屑浸没在含有电解质的污水中，铁屑晶体结构上的铁一碳之间形成了许多微小的腐蚀电池，产生电化学反应，在它的作用空间产生一个电场，铁一碳表面有电流流动，形成一种内部内电解反应，在电场作用下，铁阳极失去电子生成Fe2+进入污水中，碳阴极得到电子使碳表面的H+生成H2逸出，电极反应如下：阳极：2Fe—2Fe2++4e阴极：4H++4e—2H2(酸性溶液)O2+2H2O+4e—4OH-（中性溶液或碱性溶液）腐蚀电化学反应，在它的表面有电流流动，由于腐蚀原电池的作用，在电位较低的铁阳极上，金属铁失去电子变成铁离子进入溶液，电子流向阴极，在碳阴极附近，流来的电子被溶液中能够吸收电子的物质所接受，生成以氢氧根形式出现的阴离子，中和金属离子，形成一种内部电解反应。电极反应阴极新生成的H2能与污水中的许多污染组份发生氧化还原作用，阳极生成的Fe2+是良好的絮凝剂，能够捕集、裹挟污水中的污染物共沉。应用：采用铁屑和活性炭组成电池，由于电极电位不同，形成一组短路的电池，铁阳极失去电子生成Fe2＋进入水中，电子流向阴极，在炭表面H＋得到电子还原成H2，水中Fe2＋与OH－结合形成Fe(OH)2絮凝体，电池不断反应，滤池强化工作作用。例如，将铁屑和碳粒浸没在ξ—电位为30mv的污水溶液中，铁屑和碳粒的电位差为1.2伏，粒料间的分离距离为0.1cm,可以得到5×10-3cm/s的分离速度，从理论上计算20s就完成沉积过程。特点：1）具有普通滤池的功能，2）具有原电池的电化学反应。3）起到电解反应的电氧化和电絮凝。1.3微滤机可截留污水中微小的悬浮颗粒，滤布采用尼龙布和金属网，孔隙小于100μ，悬浮物去除率75－90％，滤后水中悬浮物小于5mg/L。2.吸附理论原理在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓集的现象称为吸附。吸附就是利用多孔性的固体物质，使废水中的一种或多种物质被吸附在固体表面而去除的方法。2.1产生吸附的原因1．物理吸附吸附剂和吸附质之间通过分子间力产生的吸附称为物理吸附。物理吸附可形成单分子吸附层或多分子吸附层。被吸附的分子由于热运动还会离开吸附剂表面，这种现象称为解吸，它是吸附的逆过程。（可逆的，是一种动态平衡）2．化学吸附（成本高，基本不用）化学吸附是吸附剂和吸附质之间由于化学键力引起的化学作用，一种吸附剂只能对某几种吸附质发生化学吸附，因此化学吸附具有选择性，不可逆性。3．离子吸附（使用也不多）互相交换离子的吸附，依靠静电引力牢固吸附。2.2吸附等温线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，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。吸附剂吸附能力的大小以吸附量q表示，指单位重量的吸附剂所吸附的吸附质的重量。q=V(Co—C)/W式中V—废水容积；W—吸附剂投量；Co—原水吸附质浓度；C—吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度。(1)朗谬尔公式朗谬尔公式是从动力学观点出发，通过一些假设条件而推导出来的单分子吸附公式。式中q——吸附量C——吸附质平衡浓度a、b——吸附常数。将上式改为倒数式，即：acabcq1bcabq1111(2)费兰德利希公式q=KC1/n式中q——吸附量；C——吸附质平衡浓度；K、1/n——常数。将上式改写为对数式：cnkqlg1lglg2.3吸附速度吸附速度是指单位重量的吸附剂在单位时间内所吸附的物质量。吸附过程可分为3个阶段。第一阶段为外部扩散阶段。在吸附剂周围存在着一层固定的水膜。吸附质首先通过这个水膜才能到达吸附剂的表面，所以吸附速度与液膜扩散速度有关。第二阶段称为颗粒内部扩散阶段。经水膜扩散到吸附剂表面的吸附质向细孔深处扩散。第三阶段称为吸附反应阶段。吸附质被吸在细孔的内表面上。2.4影响吸附的因素1．吸附剂的性质一般是极性分子吸附剂易吸附极性分子吸附质，非极性分子吸附剂易于吸附非极性吸附质。（处理污水是常用非极性吸附剂-活性炭）2．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，吸附质的浓度有关3．废水的pH值废水的pH值影响吸附剂及吸附质的性质。4．共存物质物理吸附时吸附剂可吸附多种吸附质。一般共存多种吸附质时，吸附剂对某种吸附质的吸附能力比只含该种吸附质时的吸附能力差。5．温度因为物理吸附过程是放热过程，温度升高吸附量减少，反之吸附量增加。6．接触时间在进行吸附时，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，充分利用吸附能力。2.5吸附操作方式2.5.1静态吸附在废水不流动的条件下，进行的吸附操作称为静态吸附操作，静态吸附在废水处理中采用较少。2.5.2动态吸附动态吸附是在废水流动条件下进行的吸附操作。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，从吸附设备流出的废水中吸附质的浓度可以降低，吸附剂使用一段时间后，出水中的吸附质的浓度逐渐增加，当增加到某一数值时，将吸附剂进行再生。2.5.3穿透曲线向固定床连续地通人废水，发现有的填充层正在发生吸附作用，呈现明显的吸附带，在这段下部的填充层几乎没有发生吸咐作用，在其上部的填充层由于已达到饱和状态，不再起吸附作用。当有明显的吸附带时，吸附带随废水的不断流人而缓缓地向下移动。吸附带的移动速度比废水在填充层内流动的线速度要小的多。当吸附带下缘移到填充层下端时，从装置中流出的废水中便开始出现吸附质。以后继续通水，出水中吸附质的浓度将迅速增加，直到等于原水的浓度C0时为止。2.6吸附剂废水处理中常用的吸附剂有活性炭，磺化煤、沸石、活性白土、硅藻土、焦炭等。工程中使用较多的是活性炭，活性炭的比表面积可达500～1700m2／g。北京清大国华环保科技有限公司