第五章过滤吸附
《热质交换原理与设备》课件：第5章 吸附和吸收处理空气的原理与方法
§5.1 吸附材料处理空气的机理和方法 §5.2 吸收剂处理空气的机理和方法
5.1 吸附材料处理空气的机理和方法
5.1.1 吸附的基本知识和概念
（1）吸附、吸附质和吸附剂
吸附现象是产生在相异两相的边界面上的一种分子 积聚现象。吸附就是把分子配列程度较低的气相分子浓 缩到分子配列程度较高的固相中。
化学吸附起因于吸附质分子与吸附剂表面分子(原子)的化学作用， 在吸附过程中发生电子转移和共有原子重排以及化学键断裂与形 成等过程。化学吸附多是单层吸附。
很多时候物理吸附和化学吸附很难严格划分
（3）吸附平衡、等温吸附线和等压吸附线
对于给定的吸附质-吸附剂组合对，在平衡状态下吸附剂对吸 附质的吸附量可直观地表示为
真密度ρs：表示单位体积吸附剂物质的质量 颗粒密度（表观密度） ρp：为吸附剂颗粒的质量与吸附剂颗粒的体积
之比。颗粒体积包括吸附物质体积和颗粒内孔隙体积。
5.1.2 等温吸附线
常见的吸附剂的吸附等温线有
朗谬尔公式（Language isotherm）
适于单层等温吸附
弗雷德里克公式
仅用于吸附质未达到饱和状态时的吸附现象描述，出现凝结 和结晶时，吸附现象不明显
（5-1）
则其单位质量的总内能为
（5-2）
当物质的比表面积很大时，表面能就会对物质的性能产生很大 的影响。
两相物质边界上的非平衡力(表面力)使得边界表面上的分子(原 于、离子)数目与所接触相内部对应的微粒数目不同。这种非平衡力 导致的物质微粒在表面上聚集程度的改变就是通常所说的吸附。
（2）吸附的种类
吸附为界面现象，性能好的吸附剂单位质量具有较高的表面积 (称为比表面积，m2/g吸附剂)，因此好的吸附剂都为多孔介质。
第五章 过滤2
1.大阻力和小阻力配水系统分析 1.大阻力和小阻力配水系统分析
1和2两条水流线路水头损失组成: 两条水流线路水头损失组成: 水在配水系统内的水头损失h (1) 水在配水系统内的水头损失h1
式中:s1 配水系统内的水力阻抗; 式中:s1-配水系统内的水力阻抗; :s1滤池的反冲洗强度. q-滤池的反冲洗强度.
第五章 过滤
李卫华
（3） 快滤池运行的控制
（1）过滤方式
①
等速过滤
即在滤池的整个过滤周期内滤速不 变也即是 滤池流量保持不变（溢流堰控制进水、 滤池流量保持不变（溢流堰控制进水、滤速调 节器调节出水）。 节器调节出水）。 最常见的等速过滤如图5 所示。 最常见的等速过滤如图5-9所示。在等速过滤 状态，由于滤层逐渐被堵塞， 状态，由于滤层逐渐被堵塞，水头损失随过滤 时间逐渐增加，滤池中水位逐渐上升， 时间逐渐增加，滤池中水位逐渐上升，当水位 上升到最高允许水位时，过滤停止以待冲洗。 上升到最高允许水位时，过滤停止以待冲洗。 无阀滤池与虹吸滤池是典型的等速过滤滤池
③ 直接过滤 原水不经过沉淀而直接进入滤池的过滤称为“直接过滤” 原水不经过沉淀而直接进入滤池的过滤称为“直接过滤”。 直接过滤有两种方式： 直接过滤有两种方式：①原水加药后只经过混合就直接进入滤池 过滤，称为“接触过滤” 也可称为“直流过滤” 见图9 10中 过滤，称为“接触过滤”。也可称为“直流过滤”，见图9-10中 所示； （a）与（b）所示；②原水加药后经过混合和微絮凝池后进入滤池 过滤，称为“微絮凝过滤” 如图5 11中 所示。 过滤，称为“微絮凝过滤” ，如图5-11中（c）与（d）所示。
5.4.1 过滤水力学
1．过滤过程中水头损失变化
（1）清洁滤料层的水头损失 均质滤料可按卡曼-康采尼公式（Carman-Kozony） 均质滤料可按卡曼-康采尼公式（Carman-Kozony）公 式： ν (1 − m )2 1
第五章 深层过滤
第五章深层过滤过滤是去除悬浮物，特别是去除浓度比较低的悬浊液中微小颗粒的一种有效方法。
过滤时，含悬浮物的水流过具有一定孔隙率的过滤介质，水中的悬浮物被截留在介质表面或内部而除去。
根据所采用的过滤介质不同，可将过滤分为下列几类。
（1）格筛过滤过滤介质为柳条或滤网，用以去除粗大的悬浮物，如杂草、破布、纤维、纸浆等，其典型设备有格栅、筛网和微滤机。
（2）微孔过滤采用成型滤材，如滤布、滤片、烧结滤管、蜂房滤芯等，也可在过滤介质上预先涂上一层助滤剂（如硅藻土）形成孔隙细小的滤饼，用以去除粒径细微的颗粒。
其定型的商品设备很多。
（3）膜过滤采用特别的半透膜作过滤介质在一定的推动力（如压力、电场力等）下进行过滤，由于滤膜孔隙极小且具选择性，可以除去水中细菌、病毒、有机物和溶解性溶质。
其主要设备有反渗透、超过滤和电渗析等。
（4）深层过滤采用颗粒状滤料，如石英砂、无烟煤等。
由于滤料颗粒之间存在孔隙，原水穿过一定深度的油层，水中的悬浮物即被截留。
为区别于上述三类表面或浅层过滤过程，将这类过滤称之为深层过滤，简称过滤。
在给水处理中，常用过滤处理沉淀或澄清池出水，使滤后出水浑浊度满足用水要求。
在废水处理中，过滤常作为吸附、离子交换、膜分离法等的预处理手段，也作为生化处理后的深度处理，使滤后水达到回用的要求。
常用的深层过滤设备是各种类型滤池。
按过滤速度不同，有慢滤池（<0.4m/h）、快滤池（4～10m/h）和高速滤池（10～6Om/h）三种；按作用力不同，有重力滤池（水头为4～5m）和压力滤池（作用水头15～25m）两种；按过滤对水流方向分类，有下向流、上向流、双向流和任向流滤池四种；按滤料层组成分类，有单层滤料、双层滤料和多层滤料滤池三种。
普通快滤池是常用的过滤设备，也是研究其他滤池的基础。
因此本章主要讨论快滤池，其他类型过滤设备分述于有关章节。
第一节普通快滤池的构造图5-1为普通快滤池的透视与剖面示意图。
快滤池一般用钢筋混凝土建造，池内有排水槽、滤料层、垫料层和配水系统；池外有集中管廊，配有进水管、出水管、冲洗水管、冲洗水排出管等管道及附件。
第五章 吸附和吸收处理空气的原理和方法
5.1 吸附材料处理空气的原理和方法
吸附的基本知识和概念
• 吸附现象：相异二相界面上的分子积聚现象。 • 吸附：把分子配列程度较低的气相分子浓缩到分子配 列程度较高的固相中。 • 吸附剂：使气体浓缩的物体。 • 吸附质：被浓缩的物质。 例如，当某固体物质吸附水蒸气时，此固体物质就 是吸附剂，水蒸气就是吸附质。 吸附过程：干燥剂化学成分不变； 吸收过程：干燥剂化学成分改变。
Southwest Petroleum University
动态吸附除湿
在除湿的同时通过冷却水或空气将 吸附热带走，保持近似等温除湿 近似等焓过程，即被除湿的处理气流 含湿且降低的同时，温度会升高，气 流的焓值基本不变 。
除湿方 式分类
冷却 除湿 绝热 除湿
选择吸附剂的标准： 要求空气压力损失小，具有适当的强度不致粉末 化、具有足够大的吸附容量，还希望吸附剂粒水分的 移动速度快，以便能尽快地达到平衡状态。
Southwest Petr理吸附和化学吸附。 • 物理吸附：由范德华引力、氢键起作用的物理过程。 物理吸附属于一种表面现象，可以是单层吸附，也可以是 多层吸附。
Southwest Petroleum University
吸附的种类
物理吸附主要特征
线性
图 5-1
Southwest Petroleum University
等压吸附线
曲线l：高温部分，化学吸附曲线，温度升高，吸附量减小。 曲线2：物理吸附，温度升高，平衡向脱附方向移动，吸附量减小。 如果始终能达到平衡，则不论曲线l还是曲线2都沿图中虚线进行。 曲线3：物理吸附和化学吸附的过渡区，为非平衡吸附区。
动态吸附除湿
吸附剂的再生方式 • 加热再生：供给吸附剂脱附所需的热量； • 减压再生：用减压手段降低吸附分子的分压， 改变吸附平衡，实现脱附。 • 使用清洗气体再生： 借通入一种很难被吸附的气体,降 低吸附质的分压而实现脱附。 • 置换脱附再生： 用具有比吸附质更强的选择吸附 性物质来置换而实现脱附。
中药化学第五章 色谱法---吸附色谱
按流动相状态分类 液相色谱、气相色谱和超临界流体色谱
1.吸附色谱
（1）原理 利用吸附剂对被分离成分吸附能力的不同进 行分离的。
（2）分类 硅胶色谱、氧化铝色谱、聚酰胺色谱和活性 炭色谱等
（3）吸附色谱三要素 ①吸附剂 吸附机理属于物理吸附，即吸附剂通过
范德华力（固体表面的作用力、氢键络合、静电引力） 吸附成分。
5.碱性氧化铝能否用于酸性成分的分离?为什么?
6.在吸附层析(氧化铝,硅胶)中怎样选择吸附剂、洗脱剂?
7.在硅胶薄层析分离生物碱时,展开剂中常含有二乙胺,是何原因?
8.为什么要求薄层层析中原点小而圆?
②点样 将样品溶于少量溶剂中，用毛细管点样（定性分析）； 用微量注射器点样（定量分析）。 操作要点： 溶解样品的溶剂最好与展开剂极性相近，易挥发； 吸取样液的毛细管管口要平整； 点样点距离薄层板底1～1.5cm处，斑点直径不超过2～3mm； 点样量要适度。
吸附薄层色谱（Thin Layer Chromatography TLC）
该法在药品检验中得到广泛的应用。 （2）操作步骤 制板→点样→展开→显色→ 计算比移值
①制板 软板（干法铺板）：不加黏合剂、简便、快速、不牢固、
不易保存 硬板（湿法铺板）：加黏合剂、牢固、易保存、操作复杂。
硅胶G板，耐腐蚀性好，机械强度差；硅胶CMC-Na板，机械强度 好，耐腐蚀性差。
吸附薄层色谱（Thin Layer Chromatography TLC）
的分离； 碱性氧化铝（pH9.0） 适用于碱性和中性成分的分离。 （3）聚酰胺 是由酰胺聚合而成的一类高分子物质。不溶于水
及常用的有机溶剂，对酸稳定性差，对碱较稳定。吸附机理是与化 合物形成氢键。
第五章 吸附的测量与计算
现有模型的适用性检验
衡量模型与实验数据符合程度的标准：平均 相对偏差(average relative discrepancy, ARD)
1 ARD = N
∑
i =1
N
ni ,exp − ni ,cal × 100 ni ,exp
ni,exp是吸附量的实验值，ni,cal是吸附量的计 算值，N 是实验点数。
多组份流动条件下，物料恒算导出的关系式为：
m m ui 1 − ∑ yk ,i d ∑ ~k y k =1 + L k =1 ue = 1 − ye 1 − ye dt
如果实时测得出口各气体组分的含量，则可准 确地计算出各气体组分的出口瞬时流速。等号 右侧第二项是累积量。实验证明，即使原料气 含量接近60％，累积项的影响也仅为1％。为使 用方便，可略去不计。
应用注意：关于吸附剂的孔分布参数(q,ν)和等 温线参数（ni0, boi）是在对单组份吸附等温线 拟合时确定的，但它们的值不应随吸附气体改 变，所以必须在拟合时必须对这几个参数的值 同时优化，已得到一组唯一的数值，用于描述 多组份的吸附。
5、理想吸附溶液理论( ideal adsorption solution theory)模型 (IAST) 把吸附相当作是与气相平衡的理想溶液，则
其中γis 是 Flory-Huggins 活度系数，按下式 计算：
j = 4 x s −1 x s ln γ i = − ln ∑ + 1 − ∑ j j =1 aij + 1 j =1 aij + 1
j =4 s j
模型比较复杂，需用试差法求解。
ni θi = 0 = ni bi pi 1 + ∑ bi pi
水质工程学——第5章 过滤
单层滤料
双层滤料
石英砂
滤 层 深 度 (cm)
石英砂
2
在一个过滤周期内，单 位体积滤层中的平均含 污量称为“滤层含污能 力”，单位g/cm3或 kg/m3。
无煤烟
表面过滤(surface filtration) 被截留的颗粒物聚集在过滤介质表面时，称表面过滤。 粗滤、微滤和膜滤都属于表面过滤，利用孔隙的筛除作用。
滤后水质较差，而后绿层顶部几厘米厚，由原来的松散 砂粒，变成一个发粘的滤层（滤膜），具有微生物的净 化作用。
清洗：慢滤池的运行周期较长, 一般在几个月或一年
以上。当滤料堵塞需要清洗时, 可采用人工方法进行。 用铲将表层25 ~30mm 厚度的滤层铲出清洗。
设计参数：
慢滤池的滤料多采用粒径为0.3 ~1.0mm的石英砂或普通河沙。 慢滤池内的滤料层厚度一般在0.65 ~1.50m之间, 不得小0.65m。 为保证慢滤池正常工作, 滤层上面应保持一定的作用水头, 一般在 0.1~0.5m。 慢滤池的水力负荷一般为0.1 ~0.3m/h。
损失将较小。
5. 直接过滤
原水加药后不经过沉淀，而直接进入滤池的过滤。 接触过滤 原水加药后只经过混合就直接进入滤池过滤 微絮凝过滤 原水加药后经过混合和微絮凝池后进入滤池过滤
直接过滤的特点
采用双层或三层滤料滤池。 采用聚合物为主混凝剂或助凝剂。 工艺简单，药剂用量少。
硫酸铝 原水 混合
聚合物 双层或三层滤料滤池 （a） 过滤出水
由于过滤情况很复杂，目前有不少计算公式，但与生产实际存在 差距。
通过实验Ht与t一般呈直线关系。（见图）
Hmax为水头损失增值为 最大时的过滤水头损失， 一般为1.5~2.0m。 T 为过滤周期。如果不出 现滤后水质恶化等情况，过滤 周期不仅决定于最大允许水头 损失、还与滤速有关。 设滤速 vˊ >v ，其清洁 砂 层水头损失为H0 ˊ 。一方面H0 ˊ> H0 ，同时单位时间内滤层 截留的杂质量较多，
过滤吸附理论培训课件
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。
q abc 1 ac
式中q——吸附量 C——吸附质平衡浓度 a、b——吸附常数。
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 。
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。
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
1.2.3 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。
5 吸附
A＋B k1 A·B k2
Langmuir 与 Freundlich方程的比较 Freundlich
q
Langmuir
p
水中乙醇在分子筛 上的吸附等温线
Langmuir
水中乙醇在活性炭 上的吸附等温线
Freundlich
5.2 活性炭吸附
5.2.1活性炭的制备
✓ 活性炭的应用形式： 粉末炭－ PAC 颗粒炭－GAC
解： （1）所需活性炭质量为：
120×103L/（24×60 min）×15min×450g/L＝562500g EBCT为15min时可处理水的体积为： 562500g/0.05g/L＝11250000L
（2）炭床寿命为：
11250000L/（120×103L/d）＝93.75d 由EBCT＝15min可得出，填充的炭床体积为： 120×103L/（24×60 min）×15min＝1250L
1) 臭氧可以控制微生物的繁殖 2) 生物活性炭能比较有效的去除小分子有机物 3) 臭氧氧化可改善活性炭的吸附能力 4) 有机物与臭氧反应的生成物更易于被微生物降解 5) 粒状活性炭产生吸附和生物降解的双重作用
吸附机理 （三步过程）
(1) 臭氧活性炭的特性
臭氧活性炭通常也称为生物活性炭，是指臭氧氧化与 活性炭吸附结合，通过臭氧对有机物的氧化作用为活性炭 上微生物的生长提供营养基质，同时通过臭氧分解为微生 物的生长提供充足的氧气，强化活性炭上微生物的生长， 通过微生物作用对水中的有机物、氨氮、微量有机物、嗅 味物质和消毒副产物前体物去除的过程。
5.2.3 影响活性炭吸附性能的因素
✓ 活性炭的性质 ✓ 吸附质的性质 ① 分子大小：过大的分子不可能进入活性炭小孔中。 ② 分子构型及极性：使液体表面自由能W降低得越多的吸附
环境工程原理-环境工程原理课后思考题解答5吸附
第五章 吸 附1、固体表面吸附力有哪些，常用的吸附剂有哪些，主要特性是什么，各有什么应用？ 答：吸附剂与吸附质间的吸附力有分子引力和化学键引力。
分子引力，吸附力较弱，所以也称范德华吸附。
化学键引力比分子引力大得多。
吸附过程分可逆和不可逆。
常见的吸附剂有活性炭吸附剂、硅胶吸附剂、活性氧化铝、沸石分子筛、有机树脂吸附剂等。
2、吸附平衡是如何定义的，平衡吸附量如何计算？答：吸附平衡是指在一定温度和压力下，吸附剂与吸附质有足够接触时间，吸附量与解吸量相等，载体中吸附质的浓度不再发生变化时，吸附即达到了动态平衡。
3、吸附等温线的物理意义是什么，温度、吸附质分压对吸附是如何影响的？答：气相吸附过程中，操作温度、压力等均有影响，所以吸附平衡关系可以用不同的方法表示，通常用于等温条件下单位质量吸附剂的吸附容量与气相中吸附质分压的关系来表示，即q*＝f(p)，表示吸附容量与气相中吸附质分压的关系曲线称为吸附等温线。
一般，同一平衡分压下，平衡吸附量随着温度升高而降低。
一定温度下，平衡吸附量随气体压力的升高而增加，所以吸附-解吸循环操作方式通常是低温吸附，高温解吸；高压吸附，低压解吸。
4、Langmuir 方程的基本假设是什么，方程的形式和适用范围，方程式中的常数如何求解？ 答：假设：① 吸附剂表面是单分子层吸附；② 被吸附的分子之间没有相互作用力；③ 吸附剂表面是均匀的。
也可写为mm kq q p q p 1*+= 对于一定的吸附剂，其吸附容量是一定的，即q m 一定。
若以p/q*为纵坐标，p 为横坐标作*m 1k q p q kp =+图，可得一直线，该直线斜率为1/q m 。
5、BET 方程的物理意义是什么？答：BET 吸附模型是在Langmuir 方程模型的基础上建立起来的，BET 方程是等温多分子层的吸附模型，其假设条件为：① 吸附剂表面为多分子层吸附，吸附分子在吸附剂上按层次排列；② 被吸附分子间没有相互作用力，每层的吸附服从朗格缪尔吸附模型；③ 第一层的吸附释放的热量为物理吸附热，第二层以上吸附释放的热量为液化热； ④ 总吸附量为各层吸附量的总和。
水处理工程=清华大学第五章过滤课件(第一篇)
H t H 0 H t
h h1 ht
v2 h2 2g
第五章
19
滤池总过滤水头损失H＝H0＋h＋△Ht H0：清洁滤层水头损失 h：配水系统、承托层及管路水头损失 △Ht：在时间t时的水头损失增值
ΔH t
h1: 配水系统水头损失
过滤周期 与滤速有关
1.5~2m
第五章
20
第2节 滤池的运行
第五章 23
4座滤池进水渠相通，在任 何时间水位基本上相等。
一座滤池冲 洗完毕
减速过滤（一组4座滤池） 一座滤池滤速的变化 如果一组滤池的滤池数很多，阶梯式下降折线将变为 近似连续下降曲线。 每一格滤池在反洗间隔之间，按等速过滤方式，水位 略有升高。 第五章
24
4
第2节 滤池的运行
等速与变速过滤的差别？ 在平均滤速相同的条件下，减速过滤的滤后水质较 好。而且在相同过滤周期内，过滤水头损失要小。 清洁时，过滤速度虽大，但孔隙也大，孔隙内的速 度并不太大，可将一些悬浮杂质带入下层滤料。而 当截留有杂质时，孔隙减少，滤速也减少，可防止 悬浮物穿透滤层。
第五章
45
第五章
46
第3节 滤池的基本构造
2．小阻力配水系统 减少配水系统阻抗S1 降低配水系统流速 增大配水空间 使孔眼处的压力接近
指孔口阻力较小
第3节 滤池的基本构造
中阻力配水（开孔 比：0.6%~0.8%）
小阻力配水系统 钢筋混凝土穿 孔滤板 钢筋混凝土穿孔板：板上铺设一层或两层尼龙网。
第五章 39
三层：18~20m/h
第3节 滤池的基本构造
三、配水系统
1. 配水系统的目的： 均匀分布反冲洗水 均匀收集过滤水 配水不均匀导致： (1) 部分区域水量小，冲洗不净 (2) 部分区域水量大，冲动垫层
第五章过滤
第五章过滤本章纲要了解：穿孔管大阻力配水系统设计钢筋混凝土穿孔（或裂缝）滤板穿孔滤板滤头无阀滤池熟悉：过滤水力学滤料和承托层小阻力配水系统冲洗废水的排除冲洗水的供给虹吸滤池移动罩滤池压力滤池把握：过滤机理（filtration mechanism）滤层内杂质散布规律滤层中的负水头现象冲洗强度、滤层膨胀度和冲洗时刻气、水反冲洗大阻力配水系统一般快滤池rapidfilterV型滤池本章摘要1.过滤机理颗粒迁移grain transference——目前只能定型描述，无法用定量估算，是物理力学作用拦截：颗粒尺寸较大时，处于流线中的颗粒直接碰着滤料表面；沉淀：颗粒沉速较大在重力作用下离开流线；四种作用惯性: 颗粒具有较大惯性离开流线与滤料表面接触；水动力：非球体颗粒由于在速度梯度下，会产生转动而离开流线与颗粒表面接触；颗粒粘附grainconglutination----是物理化学作用作用：范德华引力和静电力彼此作用下，和某些化学健和某些特殊的化学吸附力下，也会有絮凝颗粒的架桥作用。
粘附作用要紧决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质。
例：未经脱稳的悬浮物颗粒过滤成效很差。
2.滤层内杂质散布规律滤层内杂质散布规律：上细下粗的滤层杂质散布。
过滤进程：颗粒粘附同时，存在间隙中水流剪力作用而致使颗粒从滤料表面上脱落趋势。
粘附力与水流剪力相对大小，决定了颗粒粘附和脱落的程度。
过滤初期，滤料较干净，孔隙率较大，孔隙流速较小，水流剪力较小，因此粘附作用占优势。
随着过滤时刻的延长，滤层中杂质慢慢增多，孔隙率慢慢减小，水流剪力慢慢增大，以至最后粘附上的颗粒将第一脱落下来，或被水流夹带的后续颗粒再也不有粘附现象，于是，悬浮颗粒便向基层推移，基层滤料截留作用渐次取得发挥。
往往基层滤料截留悬浮颗粒作用远未取得充分发挥时，过滤就得停止。
缘故是，滤料经反冲洗后，滤层因膨胀而分层，表层滤料粒径最小，粘附比表面积最大，截留悬浮颗粒量最多，而孔隙尺寸又最小，因此，过滤到一按时刻后，表层滤料间孔隙将慢慢被堵塞，乃至产生筛滤作用而形成泥膜，使过滤阻力剧增。
生物分离工程第五章吸附分离及离子交换
酸性物质碱性条件吸附 中性条件洗脱 （5）温度 未平衡前 随温度升高而增加
21
（四）活性碳的再生
再生：指在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，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 能够重复使用的目的。
1）加热再生法：分为高温再生和低温再生；一般采用高温再生。 脱水（活性炭与液体分离）－干燥（100－150度）－炭化（300
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（三）活性炭对物质的吸附规律
• 活性炭是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力大于有机溶剂 中的吸附能力。
• 针对不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律： （1）对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物 （2）对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物 （3）对相对分子量大的化合物的吸附力大于相对分子量小的化
分散剂类型：
1）水溶性有机高分子：吸附在液滴表面，形成保护膜。
主要有聚乙烯醇等合成高分子，及纤维素衍生物、明胶等天然高 分子及其衍生物。多采用质量稳定的合成高分子。
2）不溶于水的无机粉末：包围液滴，起机械隔离作用。主要有碳
8
酸镁、滑石粉、高岭土等。
液液分散和成粒过程
分散剂(dispersant)、搅拌(agitation)
• ③悬浮聚合 通常是在大量的水介质中进行，散热容易,产物是 0.05～2mm左右的小颗粒，容易洗涤、分离，产物纯度较高； 缺点是产物容易粘壁，影响聚合釜传热和生产周期。
（非极性单体和产物都不溶解于溶剂，常加分散剂）
• ④乳液聚合 单体在胶束中引发、聚合是在单体－聚合物乳胶 粒中进行。其特点是速度快、产物分子量大（100纳米，最小 可达50纳米到1微米） 、体系粘度低、易于散热；缺点是乳6化 剂等不易除净，影响产物性能。（非极性单体溶解与胶束中）
第五章过滤吸附
（1）有效粒径和不均匀系数 d10和d80：分别通过滤料重量10％和80％的筛孔孔径。 d10反映了产生水头损失的主要部分，所以称为有效粒径。 不均匀系数K80＝d80/d10 K80愈大，颗粒愈不均匀，孔隙率下降，含污能力降低，反 冲洗强度不好确定。 （2）最大与最小粒径：dmax, dmin 工程上为方便，一般dmind10, dmaxd80 我国规范中，采用dmax, dmin, K80来控制滤料粒径分布。
二）黏附过程
由于迁移过程而与滤料接触的悬浮颗粒，附着在滤料表面 上不再脱离，就是黏附过程，引起颗粒黏附的因素很多。 接触凝聚、静电引力、范德华力等 三）剥落过程 滤料空隙中水流产生的剥落作用涉及两个方面问题。 1）剥落导致悬浮杂质与滤料碰撞无效； 2）剥落有利于杂质输送到滤层深处，进行滤层的深层过滤， 使整个滤层滤料的截污能力得以发挥。
二）过滤
过滤：含悬浮杂质的水—滤床—浊质降低 过滤初期：杂质截留在上面一层滤料中，而下层处于等待状 态； 过滤中期：上层污泥增多，孔隙减少，阻力增大，水头损失 增加，局部水流线速度增加，水流剪切力作用下，对已截留 污泥的冲刷、剥落作用增强，迫使一部分杂质输送到下层滤 料中滤除。 过滤末期：截留带进一步向下推进，当截留带前沿接近最底 部滤层后，再继续过滤，则出水浊度增加。 过滤过程中，水头损失和出水浊度变化情况如下图
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。 • 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。
第五章 深层过滤
第五章深层过滤过滤是去除悬浮物，特别是去除浓度比较低的悬浊液中微小颗粒的一种有效方法。
过滤时，含悬浮物的水流过具有一定孔隙率的过滤介质，水中的悬浮物被截留在介质表面或内部而除去。
根据所采用的过滤介质不同，可将过滤分为下列几类。
（1）格筛过滤过滤介质为柳条或滤网，用以去除粗大的悬浮物，如杂草、破布、纤维、纸浆等，其典型设备有格栅、筛网和微滤机。
（2）微孔过滤采用成型滤材，如滤布、滤片、烧结滤管、蜂房滤芯等，也可在过滤介质上预先涂上一层助滤剂（如硅藻土）形成孔隙细小的滤饼，用以去除粒径细微的颗粒。
其定型的商品设备很多。
（3）膜过滤采用特别的半透膜作过滤介质在一定的推动力（如压力、电场力等）下进行过滤，由于滤膜孔隙极小且具选择性，可以除去水中细菌、病毒、有机物和溶解性溶质。
其主要设备有反渗透、超过滤和电渗析等。
（4）深层过滤采用颗粒状滤料，如石英砂、无烟煤等。
由于滤料颗粒之间存在孔隙，原水穿过一定深度的油层，水中的悬浮物即被截留。
为区别于上述三类表面或浅层过滤过程，将这类过滤称之为深层过滤，简称过滤。
在给水处理中，常用过滤处理沉淀或澄清池出水，使滤后出水浑浊度满足用水要求。
在废水处理中，过滤常作为吸附、离子交换、膜分离法等的预处理手段，也作为生化处理后的深度处理，使滤后水达到回用的要求。
常用的深层过滤设备是各种类型滤池。
按过滤速度不同，有慢滤池（<0.4m/h）、快滤池（4～10m/h）和高速滤池（10～6Om/h）三种；按作用力不同，有重力滤池（水头为4～5m）和压力滤池（作用水头15～25m）两种；按过滤对水流方向分类，有下向流、上向流、双向流和任向流滤池四种；按滤料层组成分类，有单层滤料、双层滤料和多层滤料滤池三种。
普通快滤池是常用的过滤设备，也是研究其他滤池的基础。
因此本章主要讨论快滤池，其他类型过滤设备分述于有关章节。
第一节普通快滤池的构造图5-1为普通快滤池的透视与剖面示意图。
快滤池一般用钢筋混凝土建造，池内有排水槽、滤料层、垫料层和配水系统；池外有集中管廊，配有进水管、出水管、冲洗水管、冲洗水排出管等管道及附件。
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❖ 一般过滤设备出水浊度允许值与水头损失允许值是对应的，都与一定 工况下，所经历的过滤时间有关，只要出水浊度、水头损失、过滤时 间三个指标之一到达限值，过滤即停止。
三）反洗
❖ 反洗又称反冲洗或冲洗。 ❖ 在停止过滤后，用较强的水流自下而上对滤料进行冲洗，将
曲线表征。 ❖ 级配曲线：各种粒径的颗粒所占重量比例的累积曲线。
（1）有效粒径和不均匀系数 ❖ d10和d80：分别通过滤料重量10％和80％的筛孔孔径。 ❖ d10反映了产生水头损失的主要部分，所以称为有效粒径。 ❖ 不均匀系数K80＝d80/d10 ❖ K80愈大，颗粒愈不均匀，流流线而与滤料接触的过程，就是迁移过 程。引起迁移的原因主要有如下几种：
❖ 布朗运动、惯性运动、重力沉降、机械筛滤、水力作用
布朗
❖ 过滤过程中，悬浮颗粒迁移到滤料表面上，受上述各种机 理的作用，它们的相对重要性，取决于水流状况，滤层孔 隙形状及颗粒本身的形状（如粒度、形状、密度）等
使整个滤层滤料的截污能力得以发挥。
二、过滤过程
一）滤料分布：滤层由一种滤料组成是，其滤料的粒径是不均 匀的。如石英砂，dmax=1.2mm，dmin=0.5mm，滤层厚度为 700mm。
❖ 在滤床中：并不是均匀分布，而是上小下大。
❖ 这是由水力筛分造成，反冲洗时上升水流的作用，滤料颗粒 大小不一，他们顺着水流方向，由大到小排列，降落后组成 滤床自上而下：
滤料粒径由小到大；孔隙率依次增大—水力筛分现象。
二）过滤
❖ 过滤：含悬浮杂质的水—滤床—浊质降低
❖ 过滤初期：杂质截留在上面一层滤料中，而下层处于等待状 态；
❖ 过滤中期：上层污泥增多，孔隙减少，阻力增大，水头损失 增加，局部水流线速度增加，水流剪切力作用下，对已截留 污泥的冲刷、剥落作用增强，迫使一部分杂质输送到下层滤 料中滤除。
二）黏附过程
❖ 由于迁移过程而与滤料接触的悬浮颗粒，附着在滤料表面 上不再脱离，就是黏附过程，引起颗粒黏附的因素很多。 接触凝聚、静电引力、范德华力等
三）剥落过程 滤料空隙中水流产生的剥落作用涉及两个方面问题。 1）剥落导致悬浮杂质与滤料碰撞无效； 2）剥落有利于杂质输送到滤层深处，进行滤层的深层过滤，
❖ 特点：工作可靠、采用最广、冲洗干净
❖
但冲洗水头要求高，需冲洗水箱或水泵
❖ 一般为穿孔管大阻力配水系统。
（2）小阻力配水系统
❖ 大阻力配水系统的优点是配水均匀性较好，当滤层或其他部 位运行中有阻力不均匀时，造成的水流不均匀也可减少到很 低程度，但大阻力配水系统结构较复杂，孔口水头损失大， 要求进水压头高。因此，对冲洗水头有限的无阀滤池和虹吸 滤池等重力式滤池，大阻力配水系统不能采用，可以采用小 阻力配水系统。
❖ 中低速冲洗时，一般辅以空气助洗和表面水洗。我国 普遍采用高速反冲洗。
❖ 下面主要针对高速反冲洗进行介绍。
2、反冲洗原理
❖ 水流剪切作用、颗粒间碰撞摩擦作用
两者主要由冲洗强度控制（L/sm2）
冲洗强度大 e大 剪切力增大 但摩擦减少
推荐使用膨胀率约为50%
滤层
冲洗强度(L/s m2)
石英砂滤料 双层滤料 三层滤料
积聚在滤料上的杂质冲洗下来，这一过程称为反冲洗。反冲 洗后，滤层的截污能力得到恢复，可重新投运进行过滤。 ❖ 反冲洗流速控制不当，可能产生滤料流出、承托层错动和冲 洗效果差等问题。
1、反冲洗方式 ❖ 水洗 ❖ 气水联合冲洗（水和气交替或同时从底部进入，空气泡在滤
层间隙穿过上升，使孔隙发生胀缩，滤料颗粒升落、旋转和 碰撞，污泥脱落）
马宵颖 华北电力大学环境学院
第四章 过滤和吸附处理
❖ 水经过混凝、沉淀（澄清）处理后，浊质通常在1020mg/L。这种水还满足不了一些用水的需要以及后续 除盐水处理系统的需要。
❖ 过滤：水在重力作用下，水通过多孔材料层而悬浮介 质截留在介质上的过程。
❖ 滤速：水通过滤床的空塔速度
滤料
❖ 滤层：堆积的滤层
滤料
❖ 1、种类 ❖ 石英砂、无烟煤、大理石、石榴石、白云石 ❖ 优良的滤料必须满足以下要求： （1）有足够的机械强度 （2）有较好的化学稳定性 （3）有适宜的级配和足够的空隙率
❖ 2、粒状滤料的粒径与级配 ❖ 粒径：假想球面直径，表示滤料粗细的指标。 ❖ 级配：表示粒径大小分布情况，可用不均匀系数和级配
冲洗强度不好确定。
（2）最大与最小粒径：dmax, dmin ❖ 工程上为方便，一般dmind10, dmaxd80 ❖ 我国规范中，采用dmax, dmin, K80来控制滤料粒径分布。
第一节 粒状介质过滤
一、截污原理 ❖ 滤池滤料粒径为0.5-1.2mm，滤料自上而下粒径由细到
粗，空隙也有上而下逐渐增大。表层细砂层粒径为 0.5mm，滤料孔隙约为80um，但进入滤池的颗粒尺寸大 部分小于30um，但仍能被去除。 ❖ 这充分说明，水中悬浮颗粒被滤料截留，不光是简单 的机械筛滤，还有其他的作用。 ❖ 截污原理可归纳为三种主要过程： ❖ 迁移过程、粘附过程、剥落过程
12－15 13－16 16－17
膨胀度（％）
45 50 55
冲洗时间（min）
7－5 8－6 7－5
3、反冲洗配水系统
❖ 影响反冲洗效果的一个重要条件是：配水系统配水均匀性。
❖ （1）大阻力配水系统
❖ 物理含义：在反冲洗时悬浮滤料层过水断面上阻力不均匀造 成的影响被配水系统孔隙的大阻力消除。
❖ 大阻力配水系统中，水流孔隙的面积较小，以致这些孔隙对 水流的阻力远大于滤层和配水管道中的其他各种阻力。这样， 可以使水流通过过滤设备时遇到的阻力大部分是在配水系统 孔隙处，故只要这些孔隙是均匀分布的，就可以做到水流均 匀。这种系统的稳定性比较好，因为即使在滤层中出现阻力 不匀的现象，但和此孔隙的阻力相比还是较小的、也就是说 对于过滤过程的总阻力影响不大。这种系统的电能消耗比小 阻力系统的稍大一些。
❖ 过滤末期：截留带进一步向下推进，当截留带前沿接近最底 部滤层后，再继续过滤，则出水浊度增加。
❖ 过滤过程中，水头损失和出水浊度变化情况如下图
❖ 为了保证出水水质，控制制水能耗，过滤设备通常运行到一定程度 （①出水浊度到限值；②水头损失到限值），停运、实施反冲洗，清 除滤层中的污泥，恢复滤料过滤能力。