水质工程学——第8章 吸附

外部扩 散速度
与吸附剂的比表面积的大小成正比 吸附剂颗粒直径越小，速度越快 增加溶液与颗粒间的相对运动速度， 加强搅动
孔隙扩 散速度
吸附剂颗粒越小，速度越快
四、 吸附的影响因素
1.吸附剂
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
2.吸附质的性质
溶解度：越低越容易吸附，具有较大的影响 表面自由能：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（物以类聚） 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。
第八章 吸 附
吸附性能与吸附过程 吸附等温线 吸附速度 吸附的影响因素 吸附操作方式
一、吸附性能与吸附过程
吸附
固 液 界 面 上 的 吸 附 — 在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓 集的现象。
具有吸附能力的多孔性固体物质。 吸附剂 主要有活性炭、磺化煤、沸石、硅 藻土、焦炭、木炭等。
吸附质
水中被吸附的物质。
可以根据吸附容量的计算公式来求吸附质由浓度C0降到Ce
所需要投加吸附剂的量。
静态吸附试验只能提供初步的可行性数据，不能模拟动态
吸附柱系统，也不能反映竞争吸附。
三、吸附速度
1.概念
v q/t
单位：g /( g min)
吸附速度v决定了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。
V (C0 Ce ) q W
式中：V—水样容积，(L) W—吸附剂（活性炭）投量，g C0—水中吸附质浓度(g/L) Ce—吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度 (g/L) —平衡浓度
3.试验方法
在恒定温度下，在几个烧杯中放入容积为 V(L)溶质浓度 为 C0 的水样，在各烧杯中同时投加不同质量 m (g) 的吸附剂 ( 如活性炭 )，分别进行搅拌。实验过程中，不断测定各杯水
活性炭再生技术对比
4.吸附塔的设计
活性炭池的大小决定于流量、水力负荷和接触时间，由 此可得出活性炭池的容积、断面高度和炭池数。最简单的设 计方法是应用空床接触时间（接触时间）。 已知原水设计流量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.吸附过程 衡量 指标 吸附能力 吸附速度 颗粒外部 扩散阶段 吸附 阶段 固体吸附剂用吸附量衡量 单位质量吸附剂在单位 时间内所吸附的物质量 吸附质从溶液中扩散到吸附 剂表面
孔隙扩散 阶段
吸附反应 阶段
吸附质在吸附剂孔隙中继续 向吸附点扩散
吸附质被吸附在吸附剂孔隙 内的吸附点表面
吸附速度主要取决于外部扩散速度和孔隙扩散速度。 与溶液浓度成正比
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。
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。
流化床
吸附剂在塔内处于膨胀状态。
2.穿透曲线 吸附带/区
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。
使原水与吸附剂搅拌混合，而原水没有自上而下 流过吸附剂的流动，这种吸附操作叫静态吸附。
动态吸附
原水通过吸附剂自上向下流动而进行吸附。一般 是在吸附柱里完成的。 活性炭柱试验可以研究诸如流量、颗粒尺寸、吸附区高 度、竞争吸附、水温等因素对吸附的影响并作出评价。
1.吸附剂设备
固定床
吸附剂在床中是固定的，原水自上而下流过吸附剂。
(1) 采用多床串联操作
C0 Cb 1
C
2
3
4
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ca 0 Q1 Q2 Q3
Q
图 10-2 三 柱 串 联操 作
I—II—III串联运行；II—III—Ⅳ串联运行；III—Ⅳ—I串联运行。
(2) 采用升流式 移动床操作
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。
V 4Q ，m / h 2 D
查图得出K、No、ho
t N0 1 h0 ln ，小时 C0 / Ce 1 C0V C0 K
(2) 活性炭每年更换次数n(吸附剂再生次数)
n 365 24t，次 / a
(3) 活性炭年消耗量W
4 (4) 吸附质年去除量G(kg/a) W
h h0 E 100% h
5.吸附法在原水处理中的应用
活性炭对有机物的吸附
特别适合于难降解的有机物 和用一般方法难以去除的溶 解性有机物，用吸附实验确 定去除率。 活性炭对金属具有很强的吸 附能力。
对无机物的吸附
废水吸附法处理实例
染料化工废水处理。 铁路货车洗刷废水处理。 火药(TNT)化工废水处理。
Freundlich(费兰德利希)公式
q KC
1/ n e
式中：K、n——常数； Ce——吸附质平衡浓度（g/L） q——吸附容量
取对数：
lg q lg K 1/ n lg Ce
1/n越小，吸附性能越好，1/n=0.1~0.5，容易吸附； 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。 适用于中等浓度吸附。
二、 吸附等温线
1.吸附平衡
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Ce叫 平衡浓度。
2.吸附容量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)。
Langmuir(朗格谬)公式 Freundlich(费兰德利希)公式
BET公式
Langmuir(朗格谬)公式
bC e q q e max 1 bC e
取倒数式：
1 / qe (1 / qmax b)（ 1 / Ce） 1 / qmax
b和 qmax是常数， qmax与表面吸附的单分子表层浓度有 关系，代表了当Ce增加时qe的最大值。
鲁诺（Brunauer）、埃麦特（Emmet）和泰勒（Teller）
BET公式包括了朗格谬公式： 设
BCq 0 q (C s C )1 ( B 1)C / C S
Cs B m
， 且C<<Cs，则BET公式可写成：
/ m Cq C / m Cq S 0 S 0 q 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
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。
穿透点
当出水吸附质浓度达到最大允许值(Cc为 (0.05~0.10)C0)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或泄漏。
吸附终点
出水浓度Cd为(0.90~0.95)C0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)。
样中的溶质浓度Ci，直到溶质浓度不变时的平衡浓度Ce为止，
由实验结果可以计算出单位重量活性炭可吸附的溶质量，即 为吸附容量。
4.吸附等温线
q=f(C,T)，当T不变时，即T恒定，则q=f(C)，叫吸附等 温线。
5.吸附等温式(三种)
在一定T下，q随平衡浓度Ce变化的曲线(q=f(Ce))叫吸附 等温线。用数学公式描述则叫吸附等温式。
令b=1/m，qmax=qo
bC e q q e max 1 bC e

三种吸附等温式都可用来处理实验数据，选择何式为好， 以实验数据拟合曲线而定。
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。
分类
物理 吸附
化学 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。
范德华吸附
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。
思考题
1.活性炭等温吸附试验的结果可以说明哪些问题？ 2.活性炭柱的接触时间和泄漏时间指什么，两者有什 么关系？ 3.吸附区高度对活性炭柱有何影响？如何从泄漏曲线 估计该区的高度？ 4.什么叫生物活性炭法，有什么特点？ 5.什么物质易被活性炭吸附？什么物质难于被吸附？
3.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。
五、吸附操作方式
静态吸附
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。
细孔构造和分布
小孔 过渡孔 大孔
<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。 2~100nm，0.02~0.10mL/g，占比表面积<5%，吸附量不大， 起吸附作用和通道作用。 100~1000nm，0.2~0.5mL/g，占比表面积很小，吸附量小， 提供通道。
D2
h n m3 /a
nt 8760(h)，Co、Ce均以mg / L为单位
nQt C0 Ce G (kg / a) 1000
G 8.76Q(C0 Ce )
(5) 吸附效率E
G E 100% G0
式中：
N 0D 2 hn G 0 4
No——达到饱和时吸附剂的吸附量，kg/m3； h——炭层高度； ho——临界高度。 则：
活性炭吸附的优点
具有吸附作用，生 物降解作用
设备紧凑、管理方便 可回收有用物质
处理程度高
应用范围广
粒状炭可再生重复使用
适应性强
6.生物活性炭(BAC)
臭氧、活性炭吸附，用于深度处理。
特点
完成生物硝化作用 将溶解有机物进行氧化 增加水中的溶解氧 滤前加臭氧，防止藻类繁殖
臭氧的作用
将不易生物降解的转化为易于降解的 将分子量高的氧化为分子量低的
活性炭吸附剂
活性炭的制造
高温炭化 活化， 800-900℃ 木材、煤、果壳 碳渣 活性炭 隔绝空气， 600℃ 活化剂：ZnCl2
粉末状活性炭(PAC) ：10~50μm 粒状活性炭(GAC)：粒径2~4mm
棒状活性炭：Φ50mm，L=255mm
活性炭的比表面积
吸附带高度
从原水溶质浓度降低到出水允许浓度时所需的活性炭 层高度。
tc 可估算 Z L(1 ) td
tc—进水到泄漏时间； td—进水到吸附柱耗竭时间；
吸附速度越快，吸附带的高度越短，活性炭层的利用率 越高。
2.吸附容量的利用
当吸附柱出水，直至出 水浓度等于Cd(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。
BET公式
BCq 0 q (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 取倒数：
C 1 B 1 C (C S C )q Bq0 Bq0 C S
BET公式可以适应更广泛的吸附现象。
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，回复吸附性能，以达到能重复使用的目的。
加热再生法
由脱水、干燥、炭化，活化、冷却等5步组成。
溶剂萃取法
无机酸或NaOH，有机溶剂(苯、丙酮等)。
化学氧化法
电解氧化法，O3氧化法，湿式氧化法。
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。