第四章 水的吸附处理

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二、活性炭结构 活性炭通常被认为是无定形碳，活性炭的氧化
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物成分也影响活性炭吸附，活性炭在高温有氧条件
下活化，在其表面会形成一些含氧基团，高温活化
（800～900℃）容易形成碱性基团，低温活化
（300～500℃以下）容易形成酸性基团。 常见的酸性基团以羟基，内脂基为主，常见的 碱性基团是含有氧萘结构的基团。
K2CO3等。
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活性炭
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3、活性炭产品 ① 颗粒状活性炭（Granular activated Carbon，
简称GAC）；
② 粉状活性炭（Powdered activated Carbon， 简称PAC）； ③ 活性炭纤维（Activated carbon fiber ， 简称ACF）等。
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活性炭最主要的结构特征是它的孔结构，描述孔 结构的指标是比表面积、孔径、孔径分布、和孔容。
活性炭不同尺寸孔的孔容和孔面积 孔类型 孔直径 （nm） 孔容 （mL/g） 孔面积 （m2/g） 孔隙数 （个/g）
大孔
过渡孔 （中孔）
>50
2～50
0.2～0.5
0.02～0.2
0.5～2
1～200 500～ 1500
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本章内容
§1 吸附 §2 活性炭概况 §3 活性炭在工业用水处理中应用 §4 活性炭再生 §5 水处理中使用的其它吸附剂
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§1 吸附
一、吸附原理和吸附类型 1、吸附原理 吸附之所以产生，是因为固体表面上的分子受力不
平衡，这种力的不平衡，就促使固体表面有吸附外界分
子到其表面的能力，这就是表面能。
意义
粉状活性 炭
不定形颗粒状 活性炭
圆柱形活 性炭
球形活性 炭
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活性炭型号中尺寸标示范例
活性炭形状 不定形颗粒状活性炭 圆柱形颗粒活性炭 球状颗粒活性炭 标注法 下限×上限 直径 直径 示例 35×59 30 20 意义 表示粒度范围0.35～0.59mm 表示圆柱横截面直径3mm 表示球体直径2mm
按照热力学第二定律，当液相（或气相）中吸附质
被吸附到固体（吸附剂）的表面上时，固体表面的表面 能会降低，因而吸附是一个自动进行的过程。吸附剂表 面吸附的吸附质量可用经典的吉布斯方程来表示：
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C d RT dC
式中 C R T r －吸附量； －吸附质在主体溶液中的浓度； －气体常数； －绝对温度； －表面能（表面张力）。
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固 定 床 吸 附 塔 示 意 图
粒状活性炭 吸附层
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活 性 炭 吸 附 设 备
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流 动 床 吸 附 塔 构 造 示 意 图
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三、吸附水中有机物的粉状活性炭处理
在混凝过程中，当絮凝体尺寸长大到与分散的粉 末活性炭大小尺寸（约0.1mm）相近时投放粉末活性炭， 可以充分发挥粉末活性炭吸附能力。 50
第四章 水的吸附处理
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水的吸附处理（Adsorption treatment）主要是
利用吸附剂（Adsorbent）吸附水中某些物质。
在工业用水处理中，主要是利用活性炭（Active
Carbon简称AC）来吸附水中的有机物质和余氯。
活性炭是最常用的吸附剂，有时还会使用其它的
吸附剂，比如大孔吸附树脂等。
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2、吸附性能 是活性炭的主要指标。选用吸附性能好的活性炭， 不仅可以提高出水品质，还可延长活性炭的使用寿命，
减少经济费用。
比表面积、碘吸附值、苯酚吸附值、亚甲基蓝脱
色力、ABS值等，可用来表示活性炭吸附性能。
正确选择水处理中吸附水中有机物性能好的活性 炭，可以采用实际水样或天然水中典型有机物进行静 态、动态吸附试验（吸附等温线和吸附速度、柱式吸 附试验）。
重金属、油、有机污染物等。
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一、吸附水中有机物的活性炭的选用 活性炭的选用一般要从物理性能和吸附性能二方 面进行考虑 ： 1、物理性能 ① 颗粒尺寸 粒状活性炭一般在0.63-2.75mm之间； ② 水分 商品活性炭含水率在10％以下； ③ 强度 水处理中使用的颗粒炭的强度应在90％ 以上。在膜处理之前时，对活性炭强度应提出更高要 求（≥94％）； ④ 灰份 一般要求活性炭灰份<5％； ⑤ 充填密度 一般为0.4～0.5g/cm3； ⑥ 漂浮率 活性炭漂浮率应控制在5％以下。
bq0 Ce qe 1 bCe
式中 q0－吸附剂的吸附容量极限值，mg/g； b－常数项，L/mg。
朗格谬尔吸附等温线由于存在吸附极限，所以通 常认为是单分子层吸附。
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（2）BET型（由Brunauer ，Emmett 和Teller提出 ）
qe
BC e q0 Ce (C s C e )[1 ( B 1) ] Cs
（2）粒度和粒径分布 不定形活性炭粒度范围一般在0.63-2.75mm之间， 粉末状活性炭颗粒<0.18mm（一般在80目以下）， 柱形活性炭一般直径3-4mm，长2.5-5.1mm。
（3）水分
（4）表观密度（充填密度）
约为0.4～0.5g/cm3。
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（5）强度
（6）灰分
（7）漂浮率
（8）pH （9）亚甲基蓝吸附值 （10）碘吸附值 （11）苯酚吸附值
（5）是确定吸附工艺的运行方式和装置设计的重要 的依据。
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三、吸附速度
V (C0 Ct ) mt
式中
－ t时间内平均吸附速度，mg/g﹒min；
t－ 取样时间，min； V－ 试样体积，L； C0－吸附质初浓度，mg/L； Ct－t时间取样测定的残余浓度，mg/L。
吸附剂的吸附速度主要与吸附剂颗粒大小、吸附 剂周围水流速度及湍流情况以及吸附剂的孔结构和吸 附质性质等因素有关。
粉末炭与不定形颗粒活性炭的区别是以外观尺寸 0.18mm为限，大于0.18mm颗粒占多数的为不定形颗粒 活性炭，小于0.18mm颗粒占多数的为粉状活性炭。 如水处理用的果壳（核）不定形颗粒活性炭即以 GWB表示，若粒度为0.63～2mm，则其型号为 GWB63×200。
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四、活性炭理化性能指标 （1）外观
分子间力(范德华力)引起；没有选择性；放热 较小，约42kJ／mol或更少；多分子层吸附；吸附剂 的比表面积和细孔分布影响大。
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（2）化学吸附特点 化学反应，形成牢固的化学键；放热量较大， 约84—420kJ／mol；有选择性；单分子层吸附；表 面化学性质和化学性质影响大。 （3）离子交换吸附特点 正负电荷间静电引力引起；吸附剂表面带电点； 离子置换；离子电荷数和水合半径影响大。
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5、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；Ca2+、 Mg2+离子能提高活性炭对腐
殖质类化合物吸附容量。 6、接触时间 0.5-1.0h (流速5-10m/h)
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§2 活性炭概况
一、活性炭制取 1、原料 木材、煤炭、石油（石油渣、沥青、柏油等）、 果壳（椰子壳、杏核、山桃壳等）、塑料、旧轮胎、 废纸、稻壳、秸秆等。
四、脱除水中余氯的活性炭处理 1、活性炭脱除水中余氯的原理
一般认为，活性炭脱氯过程是吸附、催化和氯与
炭反应的一个综合过程，活性炭作为还原剂把次氯酸 还原为氯离子。 在酸性或中性条件下，主要是以HOCl形式存在，
HOCl遇到活性炭会氧化活性炭，在活性炭表面生成氧
化物（或CO，CO2），HOCl被还原成H+和Cl-。 水通过活性炭滤床后，水中余氯可以彻底去除， 出水余氯可以降为0， 3Kg余氯/Kg。
活性炭吸附水中有机物主要是物理吸附，活性
炭去除水中余氯还伴有化学吸附产生。
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二、吸附容量和吸附等温线 (式) 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（即V吸附=V解吸） ，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(Ce)。
运行周期（活性炭使用寿命）：

T
4 Q（C 0 C e )
d hq
2
活性炭对水中有机物吸附容量一般经验值为200g CODMn/Kg。
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粒状活性炭床主要设计参数： V<5-10m/h ZD<5NTU H=1.5-2.0m q= 200g CODMn/Kg。
平均CODMn去除率=50％
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吸附过程基本上可分为三个连续的阶段：
第一阶段为吸附质扩散通过水膜而到达吸附别 表面(膜扩散)； 第二阶段为吸附质在孔隙内扩散； 第三阶段为吸附质在吸附剂内表面上发生吸附。
通常吸附阶段反应速度非常快，总的过程速度
由第一、二阶段速度所控制。
在一般情况下，吸附过程开始时往往由膜扩散
控制，而在吸附接近终了时，内扩散起决定作用。
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2、吸附容量（qe）
V (c0 ce ) qe W
式中 qe——在平衡浓度为Ce时的吸附容量，mg/g； V——吸附质溶液体积，L； Co、Ce——分别为吸附质的初始和平衡浓度，mg／L； W——吸附剂量，g。
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3、吸附等温线(式) 在一定温度下，qe随平衡浓度Ce变化的曲线 （qe=f(Ce)）叫吸附等温线；用数学公式描述则叫吸 附等温式。 吸附等温线有三种类型： （1）朗格谬尔（Langmuir）型
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四、吸附的影响因素
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、表面化学性质(吸附剂是否是极性分 子)等。
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2、吸附质的性质
吸附质的溶解度，表面自由能，极性，吸附质分
子的大小，吸附质的浓度等。
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3、温度 物理吸附为放热过程，温度升高，吸附量下降。 4、pH值 影响着吸附质的存在状态和吸附剂的表面特性。
该方程表示，随吸附量的增加，吸附剂表面能下 降。如果吸附量减少（为负值），则吸附剂表面能会 增加。 吸附量减少就是解析，解析是吸附的逆过程，它 是不能自动进行的，必须在某些特定条件下才能发生。
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2、吸附类型
吸附剂对吸附质的吸附，根据吸附力的不同，可 以分为三种类型：物理吸附、化学吸附和离子交换
吸附。 （1）物理吸附特点
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二、吸附水中有机物的粒状活性炭床设计 工业活性炭滤床对天然水中有机物去除率正常时 一般为40～50％（以CODMn或UV254计算），在新活性炭 投运初期去除率可稍高，达70～80％。 活性炭失效是以活性炭床对水中有机物去除率降 至15～20％时为标准，或者活性炭床出水有机物浓度 超过要求时活性炭当作失效。
式中：B －常数项； Cs－吸附质平衡浓度的最大值（饱和浓度）。 BET型吸附等温线属于典型的多层吸附，但忽 略了吸附剂吸附表面不均一的事实。
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(3) 富兰德里胥（freundlich）型
qe kC
1 n e
1 lg qe lg K lg ce n
式中： K －吸附常数；
n －吸附指数。 1/n越小: 吸附性能越好，1/n=0.1-0.5，容易吸附；
2、制造工艺
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（1）碳化——在500～600℃下隔绝空气进行 （2）活化——把活性炭内部的孔打通和扩大，增加活
性炭比表面积（可达到1000 m2/g ）。
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活化方法 ：
① 物理活化（气体活化）—— 这是用水蒸气在
900℃左右进行活化，水蒸气中掺和一部分CO2 （或空气）； ② 化学活化——它是用药品同时进行碳化和活化， 常用的药品有ZnCl2、CaCl2、H3PO4、KOH、HCl、
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。
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吸附等温(式)线的应用： （1）确定某种吸附剂对水中不同吸附质的吸附效能； （2）比较不同吸附剂对水中同种吸附质（污染物）
的吸附效能；
（3）判断不同吸附剂对水中吸附质的吸附特性；
（4）确定达到一定处理要求所需的吸附剂的用量；
（12）四氯化碳吸附率
（13）ABS值
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§3 活性炭在水处理中应用
（1） 在工业用水处理中，将活性炭用来降低水中
有机物和去除水中余氯，有的场合以降低水中有机物
为主，有的场合以去除水中余氯为主，但在实际应用
中，往往是对二者均起作用；
（2）在生活饮用水处理中，活性炭主要用来降低水 中有机物，以降低水氯化消毒时产生的有致突变性的 副产物(DBP)； （3）在废水处理中，使用活性炭是用来吸附水中的
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1020
微孔
<2
0.25～0.9
活性炭细孔分布及作用图
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三、活性炭型号命名
活性炭型号第一部分符号意义 符号 意义 Z 木质 G 果壳（核） M 煤质 J 废活性炭
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活性炭型号第二部分符号意义
符号 意义 H 化学法活化 W 物理法活化
活性炭型号第三部分汉语拼音符号意义 符号 F B Y Q