1、第十章 吸 附,10.1 吸附的类型,10.1.1 吸附在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓集的现象。 固液界面上的吸附：吸附剂：具有吸附能力的多孔性固体物质。吸附质：废水中被吸附的物质。,10.1.2吸附的分类 1. 物理吸附：靠分子间力产生的吸附，可吸附多种吸附质，可形成多分子吸附层。吸附解吸是可逆过程，在低温下就能吸附。2. 化学吸附：由化学键力引起的吸附，吸能形成单分子吸附层，并具有选择性，同时是不可逆的，在高温下才能吸附。上面二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。,10.1.3吸附剂 主要有活性炭、磺化煤、沸石、硅藻土、焦炭、木炭
2、等。 1、活性炭的制造高温炭化 活化,800900 木材、煤、果壳 炭渣 活性炭 隔绝空气，600 活化剂：ZnCl2蒸汽高温活化粉末状活性炭粒状活性炭（园柱状、球状），粒径24mm棒状活性炭：50mm，L=255mm,2.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。活性炭的比表面积为：5001700m2/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，0.150.90mL/g，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：2100nm，0.020.10mL/g，占比表面积5%，吸附量不大，起吸附作用和通道作用。大孔：10010
3、00nm，0.20.5mL/g，占比表面积很小，吸附量小，提供通道。,10.2 吸附等温线与吸附速度,10.2.1吸附平衡 1.定义 当吸附质的吸附速率=解吸速率（即V吸附=V解吸），即在单位时间内吸附数量等于解吸的数量，则吸附质在溶液中的浓度C与在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，单位重量的吸附剂（g）所吸附的吸附质的重量（g）。 （10-1） 式中：V废水容积；W活性炭投量，gC0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
4、T不变时，即T恒定，则q=f(C)，叫吸附等温线。,3.吸附等温线在一定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。 4.吸附等温式（三种） 朗谬尔公式 表示I型吸附等温线的有费兰德利希公式 表示II型吸附等温线的有BET公式,1.朗谬尔公式： （10-2）取倒数式： （10-3）2.费兰德利希经验公式： （10-4）,适于中等浓度吸附 式中：K、n常数；C吸附质平衡浓度（g/L）q吸附量 取对数： （10-5） 1/n越小，吸附性能越好，1/n=0.10.5，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。,3.BET
5、公式（多层吸附） （10-6）式中:qo单分子吸附层的饱和吸附量,g/g Cs吸附质的饱和浓度,g/LB常数；C平衡浓度，g/L,取倒数： (107) BET公式包括了朗谬尔公式： 设 ， 且CCs，则BET公式可写成：令a=1/m，b=qo 朗谬尔式,BET公式可以适应更广泛的吸附现象。 吸附量q是选择吸附剂和吸附设备的重要参数，q决定吸附剂再生周期的长短，q越大，再生周期越长，再生剂用量及其费用越小。q通过吸附试验来确定。,10.2.2 吸附速度, 单位: 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。,吸附过程一般分为3个阶段： 1.液膜扩
6、散（颗粒外部扩散）阶段2.颗粒内部扩散阶段3.吸附反应阶段：吸附质被吸附在细孔内表面上。吸附反应速度非常快，V主要取决于第I、II阶段速度，而颗粒外部扩散速度（液膜扩散）U=f(c、d、搅动),溶液浓度C，则U颗粒直径d，则U加强搅动，则U而颗粒内部扩散速度V=f（细孔大小与构造，吸附质的d） 吸附剂颗粒直径d，V。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。,10.2.3 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、吸附剂是否是极性分子等。 2.吸附质的性质： （1）溶解度：越
7、低越容易吸附，具有较大的影响。 （2）使液体表面自由能W降低得越多的吸附质则越容易被吸附。,（3）极性： 极性吸附剂易吸附极性的吸附质。（物以类聚） 非极性吸附剂易吸附非极性的吸附质。 （4）吸附质分子的大小和不饱和度。 活性炭：易吸附分子直径较大的饱和化合物 合成沸石：易吸附分子直径小的不饱和化合物 （5）吸附质的浓度较低时，提高C可增加吸附量。 以后C，q增加很小，直至为一定值。,3.废水的PH值活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液中吸附效果较好。 4.共存物质：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。 5.温度：对于物理吸附，T高则不利，吸附量减少。 6.接触时间：应保证
8、吸附达到平衡时的时间，而该时间的大小取决于吸附速度V，V大则所需时间短。,10.3 吸附操作方式,10.3.1 静态吸附使废水与吸附剂搅拌混合，而废水没有自上而下流过吸附剂的流动，这种吸附操作叫静态吸附。 10.3.2动态吸附废水通过吸附剂自上向下流动而进行吸附。,1.吸附设备 （1）固定床：吸附剂在床中是固定的，废水自上而下流过吸附剂。单床式、多床串联式、多床并联式。按水流方向又可分：升流式与降流式。 （2）移动床：接近饱和的吸附剂从塔底间歇排出，每次卸出总填充量的（520）%，同时从塔顶投加等量再生炭或新炭。 （3）流化床：吸附剂在塔内处于膨胀状态。,2.穿透曲线 （1）吸附带：指正在发生
9、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叫穿透曲线。 （3）穿透点：当出水吸附质浓度Ca为(0.050.10)Co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。,（4）吸附终点：出水浓度Cb为(0.900.95)Co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）。 （5）吸附带长度：从ta到tb的t时间内，吸附带所移动的距离叫吸附带长度 （6）吸附带的移动速度V吸附带=/ t VL （210m/h
10、）,（7）无明显吸附带时，多柱串联试验绘制穿透曲线：将46根柱串联起来，见图10-1。填充层总高度为39m，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=（0.90.95）Co时，停止向第1柱进水，将1柱从系统中脱离出来进行再生，将备用柱5接在系统柱4之后，此时原水通入第2柱，待第二柱出水浓度C2=（0.90.95）Co时，停止向第2柱进水，将第2柱从系统中脱离开进行再生，并将再生好的柱1接于柱5之后，此时原水通入第3柱。以此类推进行连续吸附操作。,各柱的吸附量相等时的运行状态（面积A=面积B）视为达到了稳定运行状态。面积A为图10-1中第1条曲线与第2条
11、曲线所包含的面积，面积B为第2条曲线与第3条曲线所包含的面积。,3.吸附容量的利用。当吸附柱出水浓度达到穿透时，但此时吸附柱内的吸附剂并未完全饱和，仍能吸附相当数量的吸附质，直至出水浓度等于Cb（吸附终点）为止。这部分吸附容量应该充分利用。也即是充分利用吸附带的吸附容量。,（1）采用多床串联操作（图10-2）IIIIII串联运行； IIIII串联运行 IIII串联运行。,（2）采用升流式移动床操作（图10-3）从底部排出的吸附剂都是接近饱和的，从而充分利用了吸附剂的吸附容量。,10.3.3 吸附剂的再生用某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的细孔中除去，以达到能重复使用的目的。1.加热再生法：由脱
12、水、干燥、炭化，活化、冷却等5步组成2.药剂再生法：无机酸或NaOH，有机溶剂（苯、丙酮等）3.化学氧化法：电解氧化法，O3氧化法，湿式氧化法。4.生物法：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。,10.4 吸附塔的设计,10.4.1 博哈特亚当斯计算法 1.博哈特亚当斯方程式（10-8） 式中：t工作时间，h；V线速度，即空塔速度，m/h；h炭层高度，m；Co进水吸附质浓度，kg/m3Ce出水吸附质允许浓度，kg/m3K速率系数，m3/（kgh）；No吸附容量，即达到饱和时吸附剂的吸附量（kg/m3）。,1，上式等号右边括号内的1可忽略不计，则工作时间t： （10-9）临界高度
13、ho：当t=0时，保证出水吸附质浓度C不超过Ca（穿透浓度）时的吸附剂层的理论高度（10-10）ho即吸附带高度，ho吸附反应越快。,2.模型试验求临界高度ho,截距：； ； ；线速度（m/h）；以不同的V进行上述试验，将不同V时的No、K、ho作图，可分别得出KV、NoV、hoV三条曲线。,3.吸附塔设计已知废水设计流量Q（m3/h），原水吸附质浓度Co，出水吸附质允许浓度Ce。 （1）吸附工作时间t吸附柱出水达到穿透点的时间，线速度（m/h）查图得出K、No、ho （小时）（10-11）,（2）活性炭每年更换次数n（吸附剂再生次数）（次/a）（10-12）（3）活性炭年消耗量W（m3/a）
14、 （10-13） （4）吸附质年去除量G（kg/a）： ，Co、Ce均以mg/L为单位(kg/a) （10-14）,(5)吸附效率E（10-15） 式中： No达到饱和时吸附剂的吸附量，（kg/m3） h炭层高度； ho临界高度 则 ： （10-16）,10.4.2 通水倍数法按穿透时每kg吸附剂所通过的废水的体积（m3）计算。 10.4.3 吸附法在废水处理中的应用 1.活性炭对有机物的吸附特别适合于难降解的有机物和用一般方法难以去除的溶解性有机物用吸附实验确定去除率。,活性炭吸附的优点： （1）处理程度高，用于城市污水的深度处理，BOD5=99%；出水TOC=13mg/L。 （2）应用范围
15、广，对绝大多数有机物都有效 （3）适应性强，对水量和有机物负荷的变动具有较强的适应性。 （4）粒状炭可再生重复使用。 （5）可回收有用物质。 （6）设备紧凑、管理方便。 （7）不仅具有吸附作用，而且还有生物降解作用。,2. 对无机物的吸附活性炭对金属具有很强的吸附能力。 3. 废水吸附法处理实例。 （1）染料化工废水处理。 （2）铁路货车洗刷废水处理。 （3）火药（TNT）化工废水处理。,思考题,1、活性炭等温吸附试验的结果可以说明哪些问题？ 2、活性炭柱的接触时间和泄漏时间指什么，两者有什么关系？ 3、吸附区高度对活性炭柱有何影响？如何从泄漏曲线估计该区的高度？ 4、什么叫生物活性炭法，有什么特点？ 5、什么物质易为活性炭吸附？什么物质难于被吸附？,习 题,1、在做静态吸附实验时，当吸附剂与吸附质达到吸附平衡时（此时吸附剂未饱和），再往废水中投加吸附质，请问吸附平衡是否被打破？吸附剂吸附是否有变化？ 2、何谓吸附等温线？常见的吸附等温线有哪几种类型？吸附等温式有哪几种形式及应用场合如何？ 3、何谓吸附带与穿透曲线？吸附带的吸附容量如何利用？ 4、如何绘制动态吸附的穿透曲线？它能为设计提供什么资料？,5、活性炭吸附试验结果如下：（1）试求浓度为3mg/L时的值 （2）求弗罗德利希（Freundlich）吸附公式的K和n值。,
