第九章 吸附与离子交换

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树脂吸附剂的特点：
• • • • • 结构容易人为控制； 适应性大、应用范围广； 吸附选择性特殊、稳定性高。 再生简单，多数为溶剂再生。 在应用上它介于活性炭等吸附剂与离子 交换树脂之间，而兼具它们的优点，既 具有类似于活性炭的吸附能力，又比离 子交换剂更易再生。
穿透曲线的Flash示意图
固 定 床 吸 附 塔 示 意 图
固定床的操作 是间断的，因 为吸附饱和后 需要更换新炭
粒状活性炭 吸附层
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活 性 炭 吸 附 柱
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（2）移动床：
运行操作方式是原水从吸附塔底部流入和吸附 剂进行逆流接触，处理后的水从塔顶流出，再生 后的吸附剂从塔顶加入，接近吸咐饱和的吸附剂 从塔底排出，即吸附剂由上而下移动，所以称为 移动床。 • 按吸附剂排出的方式：间歇移动床和连续移动床。 • 移动床充分利用吸附剂的吸附容量，水头损失小。
具有剩余的表面能。当某些物质碰撞固体表面
时，受到这些不平衡力的吸引而停留在固体表
面上，这就是吸附。
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2、吸附的分类
吸附剂与吸附物质之间是通过 分子间引力(即范徳华力)而产 生的吸附
物理吸附 吸 附
离子交换吸附 化学吸附 吸附剂与被吸附物质之间产 生化学作用，生成化学键引 起吸附
（1）物理吸附特点
(fixed bed)
连续式
移动床
moving bed
流化床
expanded bed
（1）固定床： 废水处理中常用的吸附装置。 让废水连续地通过填充吸附剂的设备，这种动态 吸附设备中，吸附剂在操作过程中是固定的，所 以叫固定床。 • 固定床根据水流方向：升流式(up-flow)和降流式 (down-flow)两种。 • 降流式出水水质较好，水头损失较大，易堵塞。 • 升流式水头损失小，运行时间较长。不易堵塞， 但吸附剂易流失。
• 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的 不同而异。 • 表面氧化物成为选择性的吸附中心，使吸附剂 具有类似化学吸附的能力。 • 一般说来，有助于极性分子的吸附，削弱对非 极性分子的吸附。 • 低温活化（＜500℃）处理→酸性氧化物 • 高温活化（＞800℃）处理→碱性氧化物
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苯酚的吸附量与吸附剂比表面之间的 关系
ü ½ ¿ Î ¸ Á (mg/g)
30 20 10 0 0 200 400 600
2
635 511 143 333 252 254
800
Î ¸ ¼ ± ± æ £ m /g£ ü ½ Á È í Ã ¨ ©
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活性炭细孔分布及作用图
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3）表面化学性质
第10章
吸附与离子交换
Adsorption and Ion Exchange
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本章要解决的问题:
• • • • • • • 你知道吸附过程的本质是什么吗? 吸附在水处理中的作用是什么? 吸附在工业上是如何实现的? 常用的吸附剂有哪些?如何评价其优劣? 离子交换与吸附的联系与区别是什么? 离子交换柱是什么样子的? 离子交换在水处理中的作用是什么?
吸附剂和吸附质之间通过分子间力的吸附为 物理吸附。 ①没有选择性。 ②物理吸附主要发生在低温状态下，放热较小。 ③可以是单分子层或多分子层吸附。 ④解吸容易。 影响物理吸附的主要因素是吸附剂的表面积和细 孔分布。
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• • • • •
（2）化学吸附的特点
吸附剂和吸附质之间发生由化学键力引起吸 附称为化学吸附。 ①有选择性 一种吸附剂只对某种或特定几种物质有吸 附作用。 ②一般为单分子层吸附，分子不能在表面自由移 动。 ③吸附时放热量较大，通常需要一定的活化能。 • 在低温时，吸附速度较小。 7 • 吸附牢固，解吸困难。
kqm c e qe cs c e 1 k 1c e / cs
式中 cs—吸附质的饱和浓度； k—常数，与吸附剂和吸附质的相互作用能有关。
三、 吸附工艺和设备
操 作 方 式
间歇 式
将废水和吸附剂放在吸附池内进行搅拌 30min左右，然后静置沉淀，排除澄清液 固定床
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的质量，一般用q
表示，单位mg/g 或g/g。
如果用V表示废水体积；C0和C分别表示吸附前后吸附 质的浓度；W表示吸附剂的质量，则：
V (C0 C ) q W
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3、吸附速度(adsorption rate)：
指单位质量的吸附剂在单位时间内所吸附的吸 附质的数量。 吸附速度决定了废水和吸附剂的接触时间 (contact time)。 吸附速度越快，接触时间越短，所需的吸附 设备的容积也就越小。
式中 q-平衡吸附量 c-液相平衡浓度
1 1 1 q q m k1c q m
qm-与最大吸附量有关的常数； k1-与吸附能有关的常数。
2）Freundlich等温式
此为指数函数型式的经验公式：
q e kc1/ n e 式中，k称为Freundlich吸附系数，n为常数，通常n＞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。
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（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。
通常有机物在水中的溶解度随着链长的增长 而减小，而活性炭的吸附容量却随着有机物在水 中溶解度的减少而增加，也即吸附量随有机物分 子量的增大而增加。
• 如活性炭对有机酸的吸附量按甲酸＜乙酸＜丙酸 ＜丁酸的次序而增加。 ②使液体表面自由能降低得越多的吸附质则越容 易被吸附。 33
而不需要反冲洗设备，对原水预处理要求较低
，操作管理方便。
• 目前较大规模废水处理多采用这种操作方式。
（3）流动床：
• 流动床也叫做流化床。吸附剂在塔中处于 膨胀状态，塔中吸附剂与废水逆向连续流 动。 • 可使用小颗粒的吸附剂，吸附剂一次投量 较少，不需反洗，设备小，生产能力大， 预处理要求低。 • 运转中操作要求高，不易控制，同时吸附 剂的机械强度要求高。
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第一节
1、吸附概念
吸附
一、吸附的基本原理 指利用多孔性固体物质吸附废水中某 种或几种污染物，以回收或去除某些污染 物，从而使废水得到净化的方法。
• 具有吸附能力的多孔性固体物质称为吸附 剂(absorbent))；而废水中被吸附的物质 称为吸附质(adsorbate)。
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吸附的原因分析
• 吸附是一种界面现象，其作用发生在两个相的 界面上。 • 原因：固体表面的分子或原子因受力不均衡而
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适用于废水处理的粒状活性炭的主要指标
项目 比表面积 堆积密度 颗粒密度 真密度 数值 项目 950-1500 孔隙容积 2/g m 0.44 g/cm3 碘值(最小) 1.3 g/cm3 2.1 g/cm3
磨损值(最小)
数值 0.85cm3/g 900mg/g 70% 7%
灰分(最大)
有效粒经
平均粒径 均匀系数
包装后含水 0.8-0.9 mm 率(最大) 1.5-1.7 mm <1.9
2%
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（2）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。
• 按照基本结构分类，吸附树脂大体可分为非极 性、中性、极性和强极性四种类型。
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流动 床吸 附塔 构造 示意 图
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四、影响吸附的因素
（1）吸附剂性质的影响 1）比表面积 单位重量吸附剂的表面积称为比表面积。吸附剂 的粒径越小，或是微孔越发达，其比表面积越大。吸 附剂的比表面积越大，则吸附能力越强。 2）孔结构 • 吸附剂内孔的大小和分布对吸附性能影响很大。 • 孔径太大，比表面积小，吸附能力差。 • 孔径太小，则不利于吸附质扩散，并对直径较大的分 子起屏蔽作用。L
60 40 20 0 2 4 6 pH 8 10 12
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镉去除率
氰去除率
四、吸附剂
工业吸附剂必须满足下列要求: （a）吸附能力强；（b）吸附选择性好； （c）吸附平衡浓度低； （d）容易再生和再利用； （e）机械强度好；（f）化学性质稳定； （g）来源广；（h）价格低。 一般工业吸附剂难于同时满足这八个方面 的要求，应根据不同的场合选用.
应用
• 用活性炭吸附水中的色素的试验方程式为： 吸附剂吸附量 0.5
q 3.9C
今有100升溶液，色素的浓度为0.05g/L，欲将色素除去 90%,需加多少活性炭？
平衡时的C=0.05(1-90%)=0.005g/L
故q=3.9× 0.0050.5 0.276g / g
M 100(0.05 0.005 ) 16.3g 0.276
3）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，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：
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移 动 床 吸 附 塔 构 造 示 意 图
移动床的进出水 是连续的，活性 炭的进出可以是 连续的也可以是 间断的
粒状活性炭 吸附层
新的或再生后的 活性炭
去再 生系 统
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三、移动床吸附
。
移动床吸附优点：
移动床较固定床能充分利用床层吸附容量，
出水水质良好，且水头损失较小。由于原水从
塔底进入，水中夹带悬浮物随饱和炭排出，因
中去——解吸过程(desorption)。