水污染治理技术—吸附

3.吸附等温式
• BET吸附等温式 • 表示吸附剂上有多层溶质分子被吸附的吸附模 式，各层的吸附符合朗格谬尔单分子吸附公式。
q Bcq0
cs c 1 B 1 c
cs


c 1 B 1 c cs c q Bq0 Bq0 cs
从上式可看出，与呈直线关系，利用这个关系可求 q0、B值。
从吸附设备中排出，并同时加入等量的吸附剂，也称为
脉冲床。
移动床一次卸出的炭量一般为总填充量的5～20%。
在卸料的同时投加等量的再生炭或新炭。移动床进水的
悬浮物浓度不大于30mg/L。较大规模的废水处理多采用
这种形式。
（3）流化床
流化床是指在操作过程中吸附剂悬浮于由下而上的 水流中，处于膨胀状态或流化状态。 一般连续卸炭和投炭，要求上下不混层，保持炭层 成层状向下移动，所以运行操作要求严格。 适于处理含悬浮物较多的废水，不需要进行反冲。
（1）pH值
活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液中有较高的吸附率。通过 实验确定最佳PH值范围。
（2）共存物质
一般共存多种吸附质时，吸附剂对某种吸附质的吸附能力比只含 该种吸附质时的吸附能力差。
（3）温度
物理吸附是放热过程，所以低温有利于吸附。
（4）接触时间
二 活性炭吸附工艺与设备
（一）吸附操作方式 吸附操作分为静态吸附和动态吸附两种。
（二）活性炭的再生
活性炭的再生方法有加热再生法、药剂再生法、氧化再
生法。
1．加热再生法：分低温和高温两种方法。
（1）低温法 适于吸附浓度较高的简单低分子量的碳氢化合物和芳香 族有机物的活性炭的再生。由于沸点较低，一般加热到 200℃即可脱附。一般采用水蒸气再生。 2）高温法 适用于水处理粒状炭的再生，高温加热再生过程一般分 5
（三）吸附的应用
• 主要用来去除污水中的微量污染物，达到深度净化的目的。
• 从高浓度的废水中吸附某些物质达到资源回收和治理的目的， 如废水中少量重金属离子的去除、有害的生物难降解有机物 的去除、脱色除臭等。 • 还可利用炉渣、粉煤灰等物质作吸附剂，作为某些工业废水 的预处理，是以废治废的途径。如粉煤灰吸附作用对采油废 水中石油类和CODCr的去除率分别为80%和20%。 • 在处理流程上，吸附法可与其他物理化学法联合，组成所谓 物化流程。如先用混凝沉淀过滤等去除悬浮物和胶体，然后 用吸附法去除溶解性有机物。 • 吸附法也可与生化法联合，如向曝气池投加粉状活性炭，利 用粒状吸附剂作为微生物的生长载体或作为生物流化床的介 质；或在生物处理之后进行吸附深度处理等。
（一）吸附原理与应用
根据固体表面吸附力的不同，吸附可分为三种类型： 物理吸附、化学吸附和交换吸附。 1）物理吸附： 分子间的作用力所引起的。 · 吸附热较小，可在低温下进行。 · 过程是可逆的，易解吸 · 相对没有选择性。分子量越大，吸附量越大。 · 可形成单分子吸附层或多分子吸附层。
2）化学吸附： 由化学键力引起的――产生化学反应。 如石灰吸附CO2 → CaCO3
的污染物和吸附剂接触并被吸附。
常用工艺有固定床、移动床和流化床。
（1）固定床
固定床是指在操作过程中吸附剂固定填放在吸附设备中。根据
水流方向不同，固定床又分为升流式和降流式两种形式。
固定床又可分为单床和多床，多床又有串联式和并联式两种。
降 流 式 固 定 床 吸 附 塔
（2）移动床
移动床是指在操作过程中定期将接近饱和的吸附剂
吸 附
一、吸附的概念
吸附法是利用多孔性固体物质，使废水中一种或多种物
质被吸附在固体表面上，从而予以回收或去除的方法。具
有吸附能力的多孔性固体物质称为吸附剂，废水中被吸附
的物质称为吸附质。
吸附法的作用：脱色，脱臭，脱除水
和放射性元素等。
2．吸附剂的性质 一般极性分子型的吸附剂易吸附极性分子型的吸附质， 反之亦然。 3．吸附质的性质 溶解度越小的吸附质越容易被吸附；吸附质的分 子体积越大，吸附效率也就越大；吸附质的浓度增高， 吸附量增大。
吸附剂的颗粒越小，比表面积越大，吸附量就越大。
4．吸附过程的运行参数
主要包括pH值、共存物质、温度、接触时间等
步进行：脱水、干燥、炭化、活化、冷却处理。
2．药剂再生法
（1）无机药剂再生法：采用碱（NaOH）或无机酸等无机 药剂。 （2）有机溶剂再生法：用苯、丙酮及甲醇等有机溶剂， 萃取吸附在活性炭上的有机物。 药剂再生设备和操作管理简单，可在吸附塔内进行。 需要补充新炭，废弃一部分饱和炭。
药剂再生法分无机药剂再生法和有机溶剂再生法两类。
氧化分解，炭的吸附性能基本恢复时即可重新使用。
• 另外，也可以在活性炭吸附处理过程中，同时向炭床 鼓入空气，以供炭粒上生长的微生物生长繁殖和分解有机 物的需要。这样整个炭床就处在不断地由水中吸附有机物， 同时又在不断氧化分解这些有机物的动平衡中。
（四）吸附的影响因素
影响吸附的因素主要有吸附剂的性质、吸附质的性质和吸附过
程的运行参数等。 1）内因因素有： A、吸附剂的性质：种类；比表面积；表面能；表面化学特 性；孔隙尺寸等。
B、吸附质的性质：溶解度；极性；分子量；溶质浓度；空
间结构等。 2）外因因素有； A、环境条件： pH值；温度；共存物质；压力；协同作用。 B、运行条件：运行方法；接触时间；水力条件等。
1）活性炭
应用较为广泛的是活性炭、树脂吸附剂和腐殖酸类吸附剂。 A) 活性炭的形状
活性炭有粉末状和颗粒状。常使用颗粒状。
纤维活性炭是一种新型高效的吸附材料，吸附性能远远超过目前的普通活性炭。
B) 活性炭的一般性质
①具有良好的吸附性能和化学稳定性；
②可耐酸碱；
③能经受水浸、高温、高压作用；
④不易破碎，气流阻力小； ⑤粉状活性炭制造容易、成本低，但不易再生；
粒状活性炭成本较高，但操作管理和再生容易。
C) 细孔构造和细孔分布
活性炭有许多形状和大
小不同的细孔。活性炭的 微孔表面积占总面积的 95%以上，微孔对吸附量 的影响最大。
D) 活性炭水处理的特点
对难去除的有机污染物，有较好的去除效果。 对水质、水温及水量的变化有较强的适应能力。 对重金属化合物也有较强的吸附能力。 饱和炭再生后重复使用，不产生二次污染。 可回收有用物质。
· 吸附热大，一般在较高温下进行。
· 具有选择性，单分子层吸附
· 化学键力大时，吸附不可逆。
3）交换吸附：
静电引力
吸附质的离子 → 吸附剂表面的带电点上，同时 吸附剂也放出一个等当量离子。 · 离子电荷越多，吸附越强。 · 离子水化半径越小，越易被吸附。
影响交换吸附势的重要因素是离子电荷数和水合半径的 大小。
在开始阶段往往由液膜扩散速度起作用，而在终了阶 段则由颗粒的内部扩散起决定作用。
3．吸附等温式
吸附分等温吸附和等压吸附。
在温度一定的条件下，吸附量随吸附质平衡浓度的提高而增加。
常用的吸附等温式是Freundlich经验公式：
描述吸附容量与平衡浓度之间关系的数学表达式称为吸附等温式。
q=KC1/n
㏒q=㏒K+1/n㏒C
3) 腐植酸系吸附剂
腐植酸类物质可用于处理工业废水，尤其是重金属废
水及放射性废水，除去其中的离子。一般认为腐植酸是一组
芳香结构的、性质相似的酸性物质的复合混合物，腐植酸对 阳离子的吸附，既有化学吸附，又有物理吸附。
用作吸附剂的腐植酸类物质有两大类，一类是天然的富
含腐植酸的风化煤、泥煤、褐煤等，直接作吸附剂用或经简 单处理后作吸附剂用。另一类是把富含腐植酸的物质用适当 的粘结剂作成腐植酸系树脂，造粒成型，以使用于管式或塔 式吸附装置。腐植酸类物质吸附重金属离子后，容易脱附再 生，常用的再生剂H2SO4、HCl、NaCl、CaCl2等。
但药剂再生，一般随再生次数的增加，吸附性能明显降低，
3．化学氧化再生法
• （1）湿式氧化法
饱和炭用高压泵经换热器和水蒸气 加热后送入氧化反应塔。在塔内被活性炭 吸附的有机物与空气中的氧反应，进行氧 化分解，使活性炭得到再生。再生后的炭 经热交换器冷却后，送入再生炭储槽。在 反应器底积集的无机物（灰分）定期排出 。
实际过程中物理和化学吸附是主要的，往往相伴发生，且是 综合作用，比较如下：
吸附性能 物理吸附 化学吸附
作用力
选择性 吸附层
分子引力（范德华力） 剩余化学键力
没有选择性 有选择性
单分子或多分子吸附层 只能形成单分子吸附层
吸附热
较小，⋖41.9kj/mol
较大，相当于化学反应热， 83.7-418.7kj/mol
根据平衡吸附试验数据，以㏒C和㏒q作为横坐标和纵坐标，便得
到一条直线，称为Freundlich等温线，这条直线的截距为㏒K，斜
率为1/n。由此可求出常数n和K值。 1/n越小，吸附性能越好。一般认为 1/n = 0.1 – 0.5 时容易吸附; 1/n大于2时难于吸附。
3.吸附等温式
• 郎格谬尔（Langmuir）吸附等温式
较慢，需要活化能
吸附速度 快，几乎不要活化能 温度
放热过程，低温有利于 温度升高，吸附速度增加 吸附
可逆性
可逆，较易解析
化学键大时，吸附不可逆
（二）吸附平衡和吸附速度
1．吸附平衡
如果吸附过程是可逆的，当吸附速度和解吸速度相等
时，达到动态的吸附平衡。
吸附剂吸附能力的大小以吸附量q（g/g）表示
吸附量是指单位重量的吸附剂所吸附的吸附质的重量。
2)树脂吸附剂
树脂吸附剂也叫做吸附树脂,是一种新型有机吸附剂。
具有立体网状结构，呈多孔海绵状。加热不熔化，可在 150℃下使用，不溶于一般溶剂及酸、碱，比表面积可达 800m2/g。常见产品有美国Amberlite XAD系列，日本HP系列。 国内一些单位也研制了性能优良的大孔吸附树脂。 树脂吸附剂的结构容易人为控制，因而它具有适应性大、 应用范围广、吸附选择性特殊、稳定性高等优点，并且再生 简单，多数为溶剂再生。树脂吸附剂最适宜于吸附处理废水 中微溶于水．极易溶于甲醇、丙酮等有机溶剂，分子量略大 和是极性的有机物。如脱酚、除油、脱色等。 树脂的吸附能力一般随吸附质亲油性的增强而增大。
• 基本假设为吸附剂表面均匀，各处吸附能力相同；吸附是
单分子层吸附，其吸附量达到最大值；吸附分子之间没有 作用力；一定条件下，吸附与脱附可达到动态平衡。根据 动力学方法可以推导出郎格谬尔吸附等温式为
abc q 1 ac
1 1 1 1 q ab c b
根据实验情况，按上式以[1/q]对[1/c]作图，能得到 一条直线，便可求出a、b的值。
吸附量可用下式计算：
q=V（Co-C）/W
2.吸附速度
定义：单位重量的吸附剂在单位时间内所吸
附的物质的量。
吸附速度决定了废水和吸附剂的接触时间。 吸附速度快⇁ 接触时间短⇁ 吸附设备的容积小。
影响吸附速度的因素有：
1.吸附质在吸附剂表面液相界膜内的迁移速度（膜扩散） 2.吸附质在吸附剂颗粒空隙内的扩散速度（内部扩散） 3.吸附质在吸附剂内表面吸附位置上的吸附反应速度。 吸附速度主要受液膜扩散速度和内部扩散速度控制。
1. 静态吸附
指在水不流动的情况下进行的吸附操作。
操作工艺过程：把一定数量的吸附剂投入待处理的水中，不
断进行搅拌，经过一定时间达到吸附平衡时，以静置沉淀或过滤的 方法实现固液分离。 静态吸附常用于小水量处理或试验研究。 常用的处理设备有水池和反应槽等
2．动态吸附
指在水流动的情况下进行的吸附操作。
操作工艺过程：污水不断地流过装填有吸附剂的吸附床，污水中
• （2）电解氧化法 用饱和炭作阳极，对水进行电解，在活性炭表面产生的氧气把吸附质 氧化分解。 • （3）臭氧氧化法
利用强氧化剂臭氧，将吸附在活性炭上的有机物加以分解
4．生物氧化再生法
• 利用微生物的作用，将被活性炭吸附的有机物氧化分
解。在再生周期较长、处理水量不大的情况下，可以将炭
床内的活性炭一次性卸出，然后放置在固定的容器内进行 生物再生，待一段时间后活性炭内吸附的有机物基本上被
1．吸附剂的种类
工业吸附剂必须满足下列要求：①吸附能力强；②吸附 选择性好；③吸附平衡浓度低；④容易再生和再利用；⑤机 械强度好；⑥化学性质稳定；⑦来源广；⑧价廉。一般工业 吸附剂难于同时满足这八个方面的要求，因此，应根据不同
的场合选用。
目前在废水处理中应用的吸附剂有:活性炭、活化煤、 白土、硅藻土、活性氧化铝，焦炭、树脂吸附剂、炉渣、木 屑、煤灰、腐殖酸等。