第9章 吸附

9.3 吸附操作方式
9.3.1 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。 9.3.2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（5~20） %，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。
expKN 0 h / V >>1，上式等号右边括号内的1可忽
略不计，则工作时间t：
t N0 1 h lnC 0 / C e 1 C 0V C0 K
（9-9）
临界高度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 V h0 ln C 0 / C e 1 KN 0 （9-9） ho即吸附带高度，ho↓吸附反应越快。
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)
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K—V、 No—V、ho—V三条曲线。
K h0 N0 0
N0 h0
K
V 图 10-6 K、N0h0对V的图解
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
2.穿透曲线 （1）吸附带：指正在发生吸附作用的那段 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 (0.05~0.9)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。
易吸附；
1/n>2，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公式（多层吸附）
BCq 0 q （9-6） (C s C )1 ( B 1)C / C S
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/L
B—常数；C—平衡浓度，g/L
9.1.3吸附剂 主要有活性炭、磺化煤、沸石、硅藻土、焦炭、 木炭等。 1、活性炭的制造
高温炭化 活化,800~900℃
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2~4mm 棒状活性炭：Φ 50mm，L=255mm
2.活性炭的细孔构造和分布
（4）吸附质年去除量G（kg/a）：
取倒数：
C 1 B 1 C (C S C )q Bq0 Bq0 C S
(9－7)
BET公式包括了朗谬尔公式：
设 B C s ， 且C<<Cs，则BET公式可写成：
m
q / m Cq C / m Cq S 0 S 0 C / C C 1 (C / m C / C ) (C C ) 1 ( C / m ) 1 S S S S S 1 / m Cq 0 1 C / m C
令a=1/m，b=qo
abc q 1 ac
……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。
9.2.2 吸附速度
V q / t , 单位: g /( g min)
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：500~1700m2/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，0.15~0.90mL/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：2~90nm，0.02~0.9mL/g，占比表 面积<5%，吸附量不大，起吸附作用和通 道作用。 · 大孔：90~900nm，0.2~0.5mL/g，占比表 面积很小，吸附量小，提供通道。
（5）吸附质的浓度较低时，提高C可增加吸附量。
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。
取倒数式：
1 / q 1 / ab 1 / c 1 / b （9-3）
2.费兰德利希经验公式：
q KC
1/ n
（9-4）
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： lg q lg K 1/ n lg C （9-5）
1/n越小，吸附性能越好，1/n=0.1~0.5，容
冲洗水
图
9-3
移动床吸附塔构造示意图
9.3.3 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。
2.模型试验——求临界高度ho
进水C0
出水C0
1
取样口 2
3
图 10-4 活性炭炭柱（模型试验）
截距： 1 / C 0 K lnC 0 / C e 1
C0 )/KC0 Ce -1
斜率
N0 C0V
截距ln (
t
hห้องสมุดไป่ตู้
图 10-5 t对h的图解
h3 h'1 h' 2 h' 3 ； h1 h'1 ； h2 h'1 h'2 ；
第九章
吸 附
9.1 吸附的类型
9.1.1 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。
9.1.2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。
9.2 吸附等温线与吸附速度
9.2.1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）。 （9-1） 式中：V—废水容积；W—活性炭投量，g C0—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 T 不变时，即 T 恒定，则 q=f(C)，叫吸附等温线。
V (C0 C ) q W
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：
abc q 1 ac
（9-2）
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。
9.2.3 吸附的影响因素
（1）采用多床串联操作（图9-2）
I—II—III串联运行； III—Ⅳ—I串联运行。
Q
II—III—Ⅳ串联运行
（2）采用升流式移动床操作（图9-3） 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。
溢流管 进料斗 通气阀 直流式 衬胶阀 出水
滤头α
=60°
活性炭
溢流水
进 水 α 截止阀 直流式 衬胶阀 压力水 水射器 =60°
4Q （m/h）查图得出K、No、ho V D 2
N0 1 t h0 lnC 0 / C e 1（小时）（9-11） C 0V C0 K
（2）活性炭每年更换次数n（吸附剂再生次数）
n 365 24t
（3）活性炭年消耗量W D 2
W 4
（次/a）（9-12）
h n （m3/a） （9-13）
（4）吸附终点：出水浓度Cb为 (0.90~0.95)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δ：从ta到tb的△t时间内， 吸附带所移动的距离叫吸附带长度δ
（6）吸附带的移动速度V吸附带=δ/△ t <<VL （2~9m/h）
（7）无明显吸附带时，多柱串联试验绘制穿透 曲线：将4~6根柱串联起来，见图9-1。填充层 总高度为3~9m，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=（0.9~0.95）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=（0.9~0.95）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。
9.4 吸附塔的设计
9.4.1 博哈特——亚当斯计算法 1.博哈特——亚当斯方程式
lnC0 / Ce 1 lnexpKN 0 h / V 1 KC0 t（9-8）
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/m3 Ce——出水吸附质允许浓度，kg/m3 K——速率系数，m3/（kg· h）；No——吸附容 量，即达到饱和时吸附剂的吸附量（kg/m3）。
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9-1中第1条曲线与第2条曲线 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。
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
Cb
1
2
3
4
5
6
C
Ca 0
Q
图 9-1 多柱串联试验
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.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 以后C↑，q增加很小，直至为一定值。