水污染控制工程课件7

细孔壁上的表面扩散以吸附量梯度为推动力， 细孔壁上的表面扩散以吸附量梯度为推动力，沿表面从 吸附量大处向小处作二维移动。 吸附量大处向小处作二维移动。表面扩散系数与吸附质分子 的大小、温度、吸附质与吸附剂之间的结合能有关。 的大小、温度、吸附质与吸附剂之间的结合能有关。其速度 为： (7(7-16) —一表面扩散系数 一表面扩散系数， ·h) h)； 式中 Ns—一表面扩散系数，kg/(m2·h)；
Langmuir等温式 1．Langmuir等温式
Langmuir假设吸附剂表面均一，各处的吸附能相同：吸 附是单分子层的，当吸附剂表面为吸附质饱和时，其吸附 量达到最大值；在吸附剂表面上的各个吸附点间没有吸附 质转移运动；达动态平衡状态时，吸附和脱附速度相等。
abc e qe = 1 + bc e qe-平衡吸附量
固定床填充层单位容积的吸附速度为
(7(7-13) 式中 填充层的表现密度， ρb——填充层的表现密度，kg/m3； 填充层的表现密度 填充层单位容积的颗粒外表面积， av——填充层单位容积的颗粒外表面积，m2/m3。 填充层单位容积的颗粒外表面积
曾提出了各种实验公式， Carberry公式为 关于传质系数kf，曾提出了各种实验公式，如Carberry公式为
（三）操作条件
吸附是放热过程，低温有利于吸附， 吸附是放热过程，低温有利于吸附， 升温有利于脱附. 溶液的pH pH值影响到溶 升温有利于脱附. 溶液的pH值影响到溶 质的存在状态（分子、离子、络合物）， 质的存在状态（分子、离子、络合物）， 也影响到吸附剂表面的电荷特性和化学 特性，进而影响到吸附效果， 特性，进而影响到吸附效果，国内用太 8#炭吸附Cd-CN络合物的试验结果如 炭吸附Cd 原8#炭吸附Cd-CN络合物的试验结果如 所示。 图7-7所示。 由图可见， PH7.5～9.5的范围内，吸附去除率较高。 由图可见，在PH7.5～9.5的范围内，吸附去除率较高。 的范围内 在吸附操作中，应保证吸附剂与吸附质有足够的接触时间。 在吸附操作中，应保证吸附剂与吸附质有足够的接触时间。 另外，吸附剂的脱附再生， 另外，吸附剂的脱附再生，溶液的组成和浓度及其他因素也 影响吸附效果。 影响吸附效果。
(7-14)
式中
u—一空塔水流速度,m/h； 一空塔水流速度,m/h 一空塔水流速度,m/h； ε——填充层的孔隙率； 填充层的孔隙率； 填充层的孔隙率 μ——水溶液的动力粘滞系数,kgF/(m h)； 水溶液的动力粘滞系数,kg /(m·h) h)； 水溶液的动力粘滞系数 ρ——水溶液密度，kg/m3； 水溶液密度， 水溶液密度 dp——吸附剂粒径，m。 吸附剂粒径， 吸附剂粒径
式中
ce-液相平衡浓度 a-与最大吸附量有关的常数； b-与吸附能有关的常数。
2.B.E.T. 等温式
B.E.T.模型假定在原先被吸附的分子上面仍可吸附另外 的分子，同发生多分子层吸附；而且不一定等第一层吸满后 再吸附第二层；对每一单层却可用Langmuir式描述，第一层 吸附是靠吸附剂与吸附质间的分子引力，而第二层以后是靠 吸附质分子间的引力，这两类引力不同，因此它们的吸附热 也不同。总吸附量等于各层吸附量之和。由此导出的二常数 B.E.T.等温式为：
三、影响吸附的因素
（一）吸附剂结构
1．比表面积 单位重量吸附剂的表面积 称为比表面积． 称为比表面积．吸附剂的粒径 越小，或是微孔越发达， 越小，或是微孔越发达，其比 表面积越大。 表面积越大。吸附剂的比表面 积越大，则吸附能越强。 积越大，则吸附能越强。图7-5 表明， 表明，苯酚吸附量与吸附剂的 比表面积之间的关系。 比表面积之间的关系。
2．孔结构 吸附剂的孔结构如图7 所示。 吸附剂的孔结构如图7-6所示。 吸附剂内孔的大小和分布对吸附 性能影响很大。孔径太大， 性能影响很大。孔径太大，比表 面积小，吸附能力差；孔径太小， 面积小，吸附能力差；孔径太小， 则不利于吸附质扩散， 则不利于吸附质扩散，并对直径 较大的分子起屏蔽作用， 较大的分子起屏蔽作用， 通常将孔半径大于0.1μm的称为大孔， 0.1μm的称为大孔 通常将孔半径大于0.1μm的称为大孔，2×10-3～ 0.1μm的称为过渡孔 而小于2 的称为过渡孔， 的称为微孔。 0.1μm的称为过渡孔，而小于2×10-3的称为微孔。大部分 吸附表面积由微孔提供。 吸附表面积由微孔提供。采用不同的原料和活化工艺制备 的吸附剂其孔径分布是不同的。再生情况也影响孔的结构。 的吸附剂其孔径分布是不同的。再生情况也影响孔的结构。 分子筛因其孔径分布十分均匀， 分子筛因其孔径分布十分均匀，而对某些特定大小的分子 具有很高的选择吸附性。 具有很高的选择吸附性。
4．多级分体系的吸附等温式
多组分体系吸附和单组分吸附相比较，又增加了吸附质 之间的相互作用，计算吸附量时可用两类方法。 ①用COD或TOC综合表示溶解于废水中的有机物浓度，其 吸附等温式可用单组分吸附多温式表东。但吸附等温线可能 是曲线或折线。 ②假定吸附剂表面均一，混合溶液中的各种溶质在吸附 位置上发生竞争吸附，被吸附的分子之间的相互作用可忽略 不计。如果各种溶质以单组分体系的形式进行吸附，则其吸 附量可用Langmuir竞争吸附模型来计算。
3．表面化学性质 吸附剂在制造过程中会形成一定量的不均匀表面氧化物， 吸附剂在制造过程中会形成一定量的不均匀表面氧化物， 其成分和数量随原料和活化工艺不同而异。 其成分和数量随原料和活化工艺不同而异。一般把表面氧化 物分成酸性的和碱性的两大类.经常指的酸性氧化物基因有： 物分成酸性的和碱性的两大类.经常指的酸性氧化物基因有： 羧基、酚羟基、醌型羰基、正内酯基、萤光型内酯基、 羧基、酚羟基、醌型羰基、正内酯基、萤光型内酯基、羧酸 酐基及环式过氧基等。酸性氧化物在低温（＜500℃） （＜500℃ 酐基及环式过氧基等。酸性氧化物在低温（＜500℃）活化 时形成。对于碱性氧化物的说法尚有分歧． 时形成。对于碱性氧化物的说法尚有分歧．碱性氧化物在高 800～1000℃）活化时形成，在溶液中吸附酸性物。 温（800～1000℃）活化时形成，在溶液中吸附酸性物。 表面氧化物成为选择性的吸附中心， 表面氧化物成为选择性的吸附中心，使吸附剂只有类似 化学吸附的能力，一般说来，有助于对极性分子的吸附， 化学吸附的能力，一般说来，有助于对极性分子的吸附，削 弱对非极性分子的吸附。 弱对非极性分子的吸附。
第七章
吸附
第一节 吸附的基本理论
一、吸附机理及分类
引起吸附的主要原因： （1）溶质对水的疏水特性和溶质对固体颗粒的高度亲合力 （2）溶质与吸附剂之间的静电引力、范德华引力或化学键力 吸附的分类 (1)交换吸附：溶质的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表面的带 电点上，并置换出原先固定在这些带电点上的其他离子。 (2)物理吸附：溶质与吸附剂之间由于范德华力而产生的吸附。 (3)化学吸附：溶质与吸附剂发生化学反应，形成牢固的吸附化学键 和表面络合物。
qe = Bac e (c s − ce )[(1 + (B − 1)ce / c s )]
式中
cs—吸附质的饱和浓度； B—常数，与吸附剂和吸附质的相互作用能有关。
Freundlich等温式 3．Freundlich等温式
此为指数函数型式的经验公式：
1 q e = Kc e / n
式中，K称为Freundlich吸附系数，n为常数，通常大于1。 Freundlich式在一般的浓度范围内与Langmuir式比较接 近，但在高浓度时不像后者那样趋于一定值；在低浓度时， 也不会还原为直线关系。
四、吸附动力学 1．水膜内的物质迁移速度
由Fick定律，水膜内的传质速度NA由下式结出： Fick定律，水膜内的传质速度N 由下式结出： 定律
(7(7-12) 溶质在水膜中的扩散系数， /L； 水膜厚度， 式中 D——溶质在水膜中的扩散系数，m2/L； δ——水膜厚度，m； 溶质在水膜中的扩散系数 水膜厚度 水膜传质系数， kf——水膜传质系数，m/L； 水膜传质系数 m/L； 水中溶质的浓度， c——水中溶质的浓度，kg/m3； 水中溶质的浓度 颗粒表面的溶质浓度， ci——颗粒表ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的溶质浓度，kg/m3。 颗粒表面的溶质浓度
2.内孔扩散速度 2.内孔扩散速度
多孔性物质内部的扩散现象极为复杂，受到细孔扩散和 多孔性物质内部的扩散现象极为复杂， 细孔壁表面扩散两方面的影响，但类似于分子扩散， 细孔壁表面扩散两方面的影响，但类似于分子扩散，均以扩 散物质的浓度梯度作为推动力。 散物质的浓度梯度作为推动力。其中通过细孔内液相向颗粒 内部扩散的速度为 (7(7-15) 式中
ρa—一吸附剂的表观密度,kg/m3； 一吸附剂的表观密度,kg/m 一吸附剂的表观密度 Ds—一表面扩散系数，m2/h。 一表面扩散系数， /h。 一表面扩散系数
颗粒内总扩散速度为武（ 15） 颗粒内总扩散速度为武（7-15）与（7-16）之和,即 16）之和,
(7-17)
假定在细孔内某一位置处表面吸附量与溶液浓度之间呈 平衡状态， 平衡状态，则有 (7(7-18) 将上式代入式（ 17） 将上式代入式（7-17）得 （7-19） 19） 式中D 是以溶液浓度为基准的颗粒内有效扩散系数， 式中Di是以溶液浓度为基准的颗粒内有效扩散系数， /h.在溶质浓度很高 在溶质浓度很高， m2/h.在溶质浓度很高，吸附前后浓度变化不大的条件 ,Boyd导出以下近似式估计颗粒内有效扩散系数和吸附速度 导出以下近似式估计颗粒内有效扩散系数和吸附速度: 下,Boyd导出以下近似式估计颗粒内有效扩散系数和吸附速度: (7(7-20)
NP——细孔内的扩散速度，kg/(m2.h)； 细孔内的扩散速度， .h)； 细孔内的扩散速度 DP—一细孔内有效扩散系数，m2/h； 一细孔内有效扩散系数， /h； 一细孔内有效扩散系数 c----细孔内溶液浓度，kg/m3； ----细孔内溶液浓度 细孔内溶液浓度， r——扩散方向的距离，m。 扩散方向的距离， 扩散方向的距离