1、第七章 吸附,7.1 吸附的概念 吸附：固液界面上的物质的浓度自动发生累积或浓集的现象。吸附剂：具有吸附能力的多孔性固体物质。吸附质：水中被吸附的物质。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。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。物理吸附化学吸附往往是相伴发生，常常难以严格分开。,7.2 吸附剂主要有活性炭、磺化煤、沸石、硅藻土、焦炭、木炭等。（1）活性炭的制作高温炭化 活化,800900木材、煤、果壳 炭渣 活性炭 隔绝空气，600 活化剂：ZnCl2粉末状活性
2、炭（PAC）10 50 m粒状活性炭（柱状、或非定形颗粒）（GAC），14 mm棒状活性炭（2）比表面积及孔隙构造和分布 比表面积活性炭的比表面积为：5001700 m2/g，99.9%的表面积，在多孔结构颗粒的内部。, 孔隙构造和分布小孔：2 nm，0.150.90 mL/g，占比表面积的95%以上，起主要吸附作用。过渡孔（中孔）：2100 nm，0.020.10 mL/g，占比表面积5%，吸附量不大，起吸附作用和通道作用。大孔：1001000 nm，0.20.5 mL/g，占比表面积很小，吸附量小，提供通道。（3）水处理中活性炭的主要吸附质 有机污染物：农药、除草剂、表面活性剂、天然色及酚
3、 某些重金属：Ag+、Cd2+、CrO42-等 对卤族分子具有很好的吸附能力,7.3 活性炭性能试验（1）吸附平衡浓度当吸附质的吸附速率等于解吸速率，即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，则达到吸附平衡，此时吸附质在溶液的浓度Ce叫平衡浓度。（2）吸附容量q0 (mg/g) 衡量吸附剂吸附能力的大小，达到吸附平衡时，单位质量的吸附剂（g）所吸附的吸附质的质量（mg）。（3）吸附等温线在恒温下，向n个装有相同水样的 烧杯中分别投入不同质量的粉末活性碳并搅拌，在达到吸附平衡时，计算出单位质量的活性炭所吸附的吸附质的质量（x/m），由x/m 和Ce可绘出吸附等温线 适用于物理吸附
4、的弗里德里希（Freundlich）经验公式：,式中：K、n常数；Ce吸附质平衡浓度（mg/L）q0吸附容量取对数：在对数坐标上，以Ce为横坐标，q0为纵坐标可绘出直线，纵坐标的截距为K值，直线的斜率为1/n。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。, 适用于化学吸附的朗格谬尔（Langmuir）经验公式： 式中b和qmax是常数，qmax与表面吸附的单分子表层浓度有关，且代表了当Ce增加时qo的最大值，常数b与表面吸附能量有关当吸附力b值也增大。上式两边取倒数： 由吸附平衡时的qo与可求得常数qmax和b。,7.4 吸附速度, 单位 : 吸附速度V决定了
5、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： I. 液膜扩散（颗粒外部扩散）阶段II. 颗粒内部扩散阶段III. 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）V=f(c、dp、搅动),溶液浓度C，则V颗粒直径d，则V加强搅动，则V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。,7.5 吸附的影响因素 (1)吸附
6、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： 溶解度：越低越容易吸附，具有较大的影响。 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。,极性： 极性吸附剂易吸附极性的吸附质。 非极性吸附剂易吸附非极性的吸附质。 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 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）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
7、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。,7.6 活性炭柱试验 炭柱在未出现出水泄漏之前存在三个区：失效区、吸附区和未利用区，随着过滤的进行，吸附区保持固定的高度向下推移。 泄漏曲线的形状与进水水质、滤速及炭床高度有关，当v、L、一定时，污染物不同或炭的种类不同，曲线的斜率及泄漏时间随之变化，此外，出水水质要求越高，泄漏时间越早。 设吸附区向前推进的速度为u，于是有： L = tdu Z=（td tc）u 由上两式吸附区的厚度可按下式计算： Z = L（1 tc/td） 式
8、中， tc和td分别是炭床开始泄漏和枯竭的时间，L是炭床厚度。,滤速越大，或者炭粒径越大，则Z值越大，炭床利用率越低； 增大床厚度或减小滤速可增加接触时间（L/v），减小Z，延长tc，提高炭床利用率。,7.7 饮用水处理中活性炭的利用（1）目的：去除水中引起嗅和味的物质，以及有机污染物、TOC、TTHM、重金属等。引起色度的有机物（腐殖质）要尽可能在常规处理阶段加以去除。它们是其它有机物活性炭吸附的有力竞争者，且浓度高，分子大，容易堵塞孔隙通道。（2）粉末炭的利用用于受污染原水或用于水质突发事件预处理，直接投加在原水中，混凝-沉淀-过滤时被去除。使用成本通常0.1元/m3水左右。微滤膜技术也常
9、常与粉末炭结合处理受污染的原水。（3）粒状炭的利用 常规水处理+活性炭床吸附（炭床工作寿命仅1年左右） 活性炭-石英砂双层滤料滤池（炭床太薄、炭床寿命短，再生麻烦） 常规水处理+臭氧生物活性碳床（炭床工作寿命延长到35年左右）,7.8 臭氧-生物活性炭技术简介（1）臭氧氧化的特点 臭氧作为强氧化剂，在有效去除水中溶解性有机物、去除三氯甲烷前体物、去除色、嗅、味、消毒、杀藻等方面，臭氧具有明显的优势，因而不仅用于预氧化和消毒，而且广泛地用于深度处理。 当臭氧加注量充分时，氧化能够进行得较为彻底，生成CO2和H2O， 但当臭氧量不足时，会出现副产物如过氧化物、环氧衍生物、甲醛（具有致癌特性）、丙酮
10、酸、丙酮醛和乙酸等，有些则是对人体有害的诱变剂和致癌物质。副产物产生量一般与原水有机物浓度成正比，国外有试验表明：臭氧投加量为2.6mg/L时，生成的酸总量为62g/mgTOC，生成醛类1040g/L。臭氧氧化生成的无机物中，原水中的溴离子被氧化成溴酸盐和次溴酸盐,溴酸根被国际癌症研究会列入可能致癌物名单，并被WHO规定为无机副产物的代表，指标为25g/L。 对有机微污染水源不宜单纯采用臭氧作为深度净化手段,（2）活性炭吸附的特点活性炭对多种分子量和饱和度大且极性小的有机有害物质、金属、非金属、色、嗅、味、酚类、表面活性剂、不易溶解的碳氢化合物以及各种农药去除效果明显。但对极性溶剂和分子量小的
11、有机氯化物吸附较差，而且需要频繁再生、费用较高。颗粒活性炭又是微生物生长的载体，但必须以水中充足的溶解氧作为好氧微生物着床、生长、繁殖的必要条件。（3）臭氧-生物活性炭的特点臭氧和活性炭吸附联合使用，除可保持各自的优势外，臭氧对大分子的开链作用与充氧作用，为活性炭提供了更易吸附的小分子物质和产生生物活性炭作用的溶解氧，而臭氧化可能产生的有害物质，则可被活性炭吸附并降解，这使臭氧生物活性炭吸附工艺相得益彰。70年代中期，德国对臭氧生物活性炭吸附工艺的研究发现，与单纯的活性炭吸附比较，活性炭的再生周期延长46倍。其后，欧洲的许多现代化水厂逐步推广使用了臭氧生物活性炭吸附对微污染水源的深度净化工艺。,7.3.9 活性炭滤池设计设计要点由流量Q（或流速v）与接触时间T确定T = /Q = L/v 这里T是接触时间（并非真正的接触时间，指水流过空床对应高度的时间。T越小，炭床体积越小，泄漏事件越早，炭的工作寿命越短。T一般取值1020分钟。粒径d = 12 mm炭床厚度L = 1.52.0 m滤速v = 820 m/h （应校核是否满足接触时间）反冲洗强度 q = 89 L/sm2反冲洗时间410分钟,
