建筑工程給排水水處理-吸附

第六章吸附

6.1吸附概述

6.2活性炭吸附

6.3活性炭吸附的應(yīng)用

6.4活性炭的再生

6.5水處理中的其它吸附劑

6.1吸附概述6.1.1概念吸附：在相界面上，物質(zhì)的濃度自動發(fā)生累積或濃集的現(xiàn)象.

在水處理中，主要介紹利用固體物質(zhì)表面對水中物質(zhì)的吸附作用，即固—液界面上的吸附：

吸附法：是利用多孔性的固體物質(zhì)，使水中的一種或多種物質(zhì)被吸附在固體表面而去除的方法。吸附劑：具有吸附能力的多孔性固體物質(zhì)。

吸附質(zhì)：廢水中被吸附的物質(zhì)。

6.1.2吸附的分類

根據(jù)固體表面吸附力的不同，吸附可分為以下兩種類型：物理吸附、化學吸附。

1.

物理吸附：吸附劑和吸附質(zhì)之間通過分子間的力產(chǎn)生的吸附稱為物理吸附。物理吸附是一種常見的吸附現(xiàn)象，一般在較低溫度下進行。由于吸附是分子間力引起的，所以吸附熱較小，一般在41.9kJ／mol以內(nèi)，物理吸附因不發(fā)生化學作用，所以在低溫下就能進行。物理吸附可形成單分子吸附層或多分子吸附層。

由于分子間力是普遍存在的，所以一種吸附劑可吸附多種吸附質(zhì)。形成多分子吸附層。但由于吸附劑和吸附質(zhì)的極性強弱不同，某一種吸附劑對各種吸附質(zhì)的吸附量是不同的。被吸附的分子由于熱運動還會離開吸附劑表面，這種現(xiàn)象稱為解吸。吸附━解吸是可逆過程。

2.化學吸附

化學吸附是吸附劑和吸附質(zhì)之間發(fā)生的化學作用，是由于化學鍵力引起的吸附?；瘜W吸附一般在較高溫度下進行，吸附熱較大，相當于化學反應(yīng)熱，一般為83.7~418.7kJ／mol。一種吸附劑只能對某種或幾種吸附質(zhì)發(fā)生化學吸附，因此化學吸附具有選擇性。由于化學吸附是靠吸附劑和吸附質(zhì)之間的化學鍵力進行的，所以吸附只能形成單分子吸附層。當化學鍵力大時，化學吸附是不可逆的。物理吸附和化學吸附并不是孤立的，往往相伴發(fā)生。在水處理中，大部分的吸附往往是幾種吸附綜合作用的結(jié)果。由于吸附質(zhì)、吸附劑及其它因素的影響，可能某種吸附是主要的。例如有的吸附在低溫時主要是物理吸附，在高溫時主要是化學吸附。

說明6.2活性炭吸附水處理中常用的吸附劑有活性炭、磺化煤、活化煤、沸石，活性白土、硅藻土、腐植質(zhì)：焦炭、木炭、木屑等。

水處理中應(yīng)用較廣的活性炭吸附劑。包括以下幾方面內(nèi)容：活性炭的制造活性炭的細孔構(gòu)造和分布活性炭的表面化學性質(zhì)

6.2.1活性炭的制造

活性炭是用含炭為主的物質(zhì)(如木材、煤)作原料，經(jīng)高溫炭化和活化而制成的疏水性吸附劑，外觀呈黑色。活性炭的制造過程如圖6－1：

圖6－1活性炭的制造過程示意圖粉末狀活性炭粒狀活性炭（園柱狀、球狀），粒徑2～4mm

棒狀活性炭：Φ50mm，L=255mm

木材、煤果殼隔絕空氣高溫炭化，600℃

炭渣活性炭活化,800~900℃活化劑：ZnCl2炭化是把原料熱解成炭渣，生成類似石墨的多環(huán)芳香系物質(zhì)；活化是把熱解的炭渣成為多孔結(jié)構(gòu)?；罨椒ㄓ兴巹┓ê蜌怏w法兩種。

藥劑活化法常用的活化劑有氯化鋅、硫酸、磷酸等。粉狀活性炭多用氯化鋅為活化劑。活化爐用轉(zhuǎn)爐。

氣體活化法一般用水蒸氣、二氧化碳、空氣作活化劑。粒狀炭多采用水蒸氣活化法，以立式爐或管式爐為活化爐。6.2.2活性炭的性質(zhì)1.物理性質(zhì)

巨大的比表面積（m2/g）——吸附性能好；發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)——微孔、中孔、大孔；

圖6－2活性炭孔隙分布示意圖a微孔尺寸<1～2nm，小孔容容積一一般為為0.15～0.90mL／g，表面面積占占比表表面積積的95％以上上。微孔的的作用用：活性炭炭小孔孔的表表面積積占比比表面面積的的95％以上上，起起吸附附作用用，吸吸附量量以小小孔吸吸附為為主。。由于活活性炭炭的原原料和和制造造方法法不同同，細細孔的的分布布情況況相差差很大大，應(yīng)應(yīng)根據(jù)據(jù)吸附附質(zhì)的的直徑徑和活活性炭炭的細細孔分分布情情況選選擇合合適的的活性性炭。。b大孔尺寸>25nm。大大孔容容積一一般為為0.2～0.5mL／g，表面面積只只有0.5～2m2／g。大孔的的作用用：占比表表面積積很小小，吸吸附量量小，，提供供通道道。它主要要為吸吸附質(zhì)質(zhì)的擴擴散提提供通通道，，使吸吸附質(zhì)質(zhì)通過過此通通道擴擴散到到過渡渡孔和和小孔孔中去去。c中孔尺寸>1～2或<25nm，過渡孔孔容積一般般為0.02～0.10mL／g，其表面積積占比表面面積的5％以下。中孔的作用用:占比表面積積<5%，吸附量不不大，起吸吸附作用和和通道作用用。即可為吸附質(zhì)質(zhì)的擴散提提供通道，，促使吸附附質(zhì)通過它它擴散到小小孔中去，，當吸附質(zhì)質(zhì)的分子直直徑較大時時，小孔幾幾乎不起作作用，活性性炭對吸附附質(zhì)的吸附附主要靠過過渡孔來完完成的。粒狀炭和粉粉末炭粒狀炭：直直徑大于0.1mm，利于再生生，回收和和再利用方方便；粉末炭：直直徑小于0.074mm，不利于再再生，回收收和再利用用困難；密度（視密密度、濕密密度）、強強度2.活性炭的化化學性質(zhì)活性炭是由由形狀扁平平的石墨型型微晶體構(gòu)構(gòu)成的。處處于微晶體體邊緣的炭炭原子，由由于共價鍵鍵不飽和而而易與其它它元素如氧氧、氫等結(jié)結(jié)合形成各各種含氧官官能團：酸酸性官能團團和堿性官官能團。酸酸性官能團團官具有極極性，主要要吸附極性性較強的化化合物。目前對活性性炭含有官官能團(又稱表面氧氧化物)的研究尤其其對堿性官官能團的研研究還不夠夠充分，但但已證實的的有－OH基、－COOH基等。吸附性能用用碘值、糖糖蜜值表示示：碘值：在一一定條件下下活性炭吸吸附碘的量量，表示活性炭吸吸附小分子子物質(zhì)的吸吸附性能；；糖蜜值：表表示活性炭炭吸附大分分子物質(zhì)的的吸附性能3.活性炭的吸吸附性質(zhì)1.吸附劑的性性質(zhì)：吸附附劑的種類類、顆粒大大小、比表表面積，顆顆粒的細孔孔構(gòu)造與分分布、吸附附劑是否是是極性分子子等。2.吸附質(zhì)的性性質(zhì)：（1）溶解度：：越低越容容易吸附，，具有較大大的影響。。（2）使液體表表面自由能能W降低得越多多的吸附質(zhì)質(zhì)則越容易易被吸附。。6.2.3影響活性炭炭吸附性能能的因素（3）極性：極性吸附劑劑易吸附極極性的吸附附質(zhì)非極性吸附附劑易吸附附非極性的的吸附質(zhì)（物以類聚聚）（4）吸附質(zhì)分分子的大小小和不飽和和度。活性炭：易易吸附分子子直徑較大大的飽和化化合物合成沸石：：易吸附分分子直徑小小的不飽和和化合物（5）吸附質(zhì)的的濃度較低低時，提高高C可增加吸附附量。以后C↑，q增加很小，，直至為一一定值。3.廢水的PH值活性炭一般般在酸性溶溶液中比在在堿性溶液液中吸附效效果較好。。4.共存物質(zhì)：：對于物理理吸附，共共存多種物物質(zhì)時的吸吸附比單一一物質(zhì)時的的吸附要差差。5.溫度：對于于物理吸附附，T高則不利，，吸附量減減少。6.接觸時間：：應(yīng)保證吸吸附達到平平衡時的時時間，而該該時間的大大小取決于于吸附速度度V，V大則所需時時間短。6.2.4吸附理論1.吸附等溫線線（1）吸附平衡衡當吸附質(zhì)的的吸附速率率=解吸速率（（即V吸附=V解吸），即在單單位時間內(nèi)內(nèi)吸附數(shù)量量等于解吸吸的數(shù)量，，則吸附質(zhì)質(zhì)在溶液中中的濃度C與在吸附劑劑表面上的的濃度都不不再變時，，即達到吸吸附平衡，，此時吸附附質(zhì)在溶液液的濃度C叫平衡濃度度。（2）吸附量q(g/g)衡量吸附劑劑吸附能力力大小的參參數(shù)。即達達到吸附平平衡時，單單位重量的的吸附劑（（g）所吸附的的吸附質(zhì)的的重量（g）。式中：V—廢水容積；；W—活性炭投量量，gC0—廢水吸附質(zhì)質(zhì)濃度（g/L）C—吸附平衡時時水中剩余余的吸附質(zhì)質(zhì)濃度(g/L)—平衡濃度（3）吸附等溫溫線在一定T下，q隨吸附質(zhì)的的平衡濃度度C而變化的曲曲線（q=f(C)）叫吸附等等溫線。用用數(shù)學公式式描述則叫叫吸附等溫溫式。（4）吸附等溫溫式（三種種，液相還還沒有統(tǒng)一一的理論））朗謬爾（Langmuir）公式費蘭德利希希（Freundlich）公式BET公式朗謬爾（Langmuir）公式——單一組分溶溶液中溶質(zhì)質(zhì)的吸附費蘭德利希希（Freundlich）公式——單一組分溶溶液中溶質(zhì)質(zhì)的吸附式中：K、n——常數(shù)；C——吸附質(zhì)平衡衡濃度（g/L）q——吸附量取對數(shù)：：繪圖：1/n越小，吸吸附性能能越好，，1/n=0.1~0.5，容易吸吸附；1/n>2，則難吸吸附。1/n較大則采采用連續(xù)續(xù)吸附，，反之采采用間歇歇吸附。。BET公式——適用于兩兩種及以以上的溶溶質(zhì)用活活性炭吸吸附時式中:qo—單分子吸吸附層的的飽和吸吸附量,g/gCs—吸附質(zhì)的的飽和濃濃度,g/LB—常數(shù)；C—平衡濃度度，g/L取倒數(shù)：：吸附量q的意義：：選擇吸附附劑和吸吸附設(shè)備備的重要要參數(shù)，，q決定吸附附劑再生生周期的的長短，，q越大，再再生周期期越長，，再生劑劑用量及及其費用用越小。。q通過吸附附試驗來來確定。。2.吸附速度度指單位重重量的吸吸附劑在在單位時時間內(nèi)吸吸附的物物質(zhì)的量量。吸附速度度V決定了廢廢水和吸吸附劑的的接觸時時間，V越大，則則接觸時時間越短短，所需需設(shè)備容容積就越越小，反反之亦然然。吸附速度度決定于于吸附劑劑對吸附附質(zhì)的吸吸附過程程。吸附附過程一一般分為為3個階段：：顆粒外部部擴散階階段顆粒內(nèi)部部擴散階階段吸附反應(yīng)應(yīng)階段。。活性炭的的吸附速速度大小小受下列列因素影影響：溶液濃度度C↑，則V↑；顆粒直徑徑d↓，則V↑；d↓,V↑。所以，，粉末狀狀活性炭炭比粒狀狀活性炭炭的吸附附速度要要快，接接觸時間間短，設(shè)設(shè)備容積積小。加強攪動動，則V↑。6.3.1活性炭吸吸附的功功能去除臭和和味去除總有有機碳去除消毒毒副產(chǎn)物物前驅(qū)物物去除揮發(fā)發(fā)性有機機物人工合成成有機物物的去除除6.3活性炭吸吸附的應(yīng)應(yīng)用6.3.2粉末活性性炭的應(yīng)應(yīng)用粉末活性性炭粒度度小、接接觸面積積大，吸吸附速度度快、效效果好。。但是再再生困難難，因而而運行費費用較高高。6.3.3粒狀活性性炭的應(yīng)應(yīng)用適用于飲飲用水原原水受到到比較嚴嚴重污染染需要長長期使用用活性炭炭，或者者為了活活性炭能能夠再生生時用粒粒狀活性性炭濾池池。前吸附、、濾后吸吸附、過過濾吸附附吸附裝置置形式：：固定床、、移動動床、流流化床(1)固定床固定床有有降流式式(又分重力力式和壓壓力式)，也有升升流式（（或稱膨膨脹式）），炭層層的膨脹脹變?yōu)?0％～15％。兩種種形式的的處理效效果基本本相同。。為了使炭炭床從上上到下都都發(fā)揮最最大的吸吸附作用用，即達達到吸附附平衡，，生產(chǎn)上上多采用用多塔串串聯(lián)操作作（一般般2～4塔)。一般固定定床炭層層高與塔塔直徑的的比為(2～4)：1，塔內(nèi)流流速(空塔速度度)采用5－10m／h。圖6-3降流式固固定床型型吸附塔塔構(gòu)造示示意圖這是水處處理工藝藝中最常常用的一一種方式式。當廢水連連續(xù)通過過填充吸吸附劑的的吸附設(shè)設(shè)備(吸附塔或或吸附池池)時，廢水水中的吸吸附質(zhì)便便被吸附附劑吸附附。因為為這種動動態(tài)吸附附設(shè)備中中吸附劑劑在操作作中是固固定的，，所以叫固固定床。。吸附劑進進行吸附附和再生生可在同同一設(shè)備備內(nèi)交替替進行，，也可將將失效的的吸附劑劑卸出，，送到再再生設(shè)備備進行再再生。(a)(b)(c)單床式多床串聯(lián)聯(lián)式多床并聯(lián)聯(lián)式圖6-4固定床吸吸附操作作示意圖圖(3)流動床(流化床)這種操作作方式與與固定床床和移動動床不同同的是在在于吸附附劑在塔塔內(nèi)處于于膨脹狀狀態(tài)或流流化狀態(tài)態(tài)。被處處理的廢廢水與活活性炭基基本上也也是逆流流接觸。。用少量的的炭就可可處理較較多的廢廢水，基基建費用用低、這這種操作作適于處處理含懸懸浮物較較多的廢廢水，不不需要進進行反沖沖。流化床一一般連續(xù)續(xù)卸炭連連續(xù)投炭炭，空塔塔速度要要求上下下不混層層。保持持炭層成成層狀向向下移功功。為克服這這個缺點點開發(fā)出出多層流流化床，，這種床床每層的的活性炭炭可以相相混，新新炭從塔塔頂投入入。依次次下移，，移到底底部時達達到飽和和狀態(tài)和和卸出。。6.3.4活性炭纖纖維的應(yīng)應(yīng)用用于空氣氣的凈化化、水中中脫氮、、飲用水水處理等等活性炭纖纖維含碳碳量高，，孔隙窄窄、微孔孔發(fā)達，，吸附效效果好，，再生容容易，但但價格高高。6.3.5臭氧——生物活性性炭的應(yīng)應(yīng)用臭氧生物物活性炭炭中臭氧氧能夠氧氧化部分分有機物物并能使使大分子子物質(zhì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為小小分子物物質(zhì)，從從而改善善了活性性炭的吸吸附性能能。具有有吸附和和降解有有機物的的雙重功功能。但生物活活性炭受受溫度影影響大，，冬季不不宜運行行，而且且耗電量量大等缺缺點。6.4活性炭的的再生1.再生的目目的就是在吸吸附劑本本身結(jié)構(gòu)構(gòu)不發(fā)生生或極少少發(fā)生變變化的情情況下，，用某種種方法將將吸附質(zhì)質(zhì)從吸附附劑的細細孔中除除去，以以便能夠夠重復使使用。2.再生方法法（1）加熱再再生法：：由脫水水、干燥燥、炭化化，活化化、冷卻卻等5步組成（2）藥劑再再生法：：無機酸酸或NaOH，有機溶溶劑（苯苯、丙酮酮等）（3）化學氧氧化法：：電解氧氧化法，，O3氧化法，，濕式氧氧化法。。（4）生物法法：利用用微生物物的作用用，將被被活性炭炭吸附的的有機物物加以氧氧化分解解。(1）加熱再再生法加熱再生生法分低溫和高溫兩種方法法。低溫適于吸附附濃度較較高的簡簡單低分分子量的的碳氫化化合物和和芳香族族有機物物的活性性炭的再再生。多多采用水水蒸氣再再生。高溫適于水處處理粒狀狀炭的再再生1）高溫加加熱再生生分5步進行：：脫水：使活性炭炭和輸送送液體進進行分離離。干燥：加溫到100℃～150℃，將吸附附在活性性炭細孔孔中的水水分蒸發(fā)發(fā)出來，，同時部部分低沸沸點的有有機物也也能夠揮揮發(fā)出來來。碳化：加熱到300℃～700℃，高沸點點的有機機物由于于熱分解解，一部部分成為為抵沸點點的有機機物進行行揮發(fā)：：另一部部分被炭炭化，留留在活性性炭的細細孔中。?；罨簩⑻炕袅粼诨钚孕蕴考毧卓字械臍垰埩籼浚没罨瘹怏w(如水蒸氣氣、二氧氧化碳及及氧)進行氣化化，達到到重新造造孔的目目的。活活化溫度度一般為為700℃～1000℃。冷卻：活化后的的活性炭炭用水急急劇冷卻卻，防止止氧化活性炭高高溫加熱熱再生系系統(tǒng)由再再生爐、、活性炭炭貯罐、、活性炭炭輸送及及脫水裝裝置等組組成。如如圖所示示?；钚蕴繚{漿池泥漿泵失效炭脫水罐螺旋傳送器廢氣處理裝置再生爐水蒸汽冷卻罐再生炭儲罐炭末排水再生炭干式加熱熱再生系系統(tǒng)高溫加熱熱再生法法的優(yōu)缺缺點優(yōu)點：①幾乎所所有有機機物都可可以采用用此