当代给水与废水处理原理(第二版)第3章

活性炭的吸附作用： （1）首先是对芳族化合物的吸附。例如农药、除草剂、表面活 化剂、天然色及酚类等。这类化合物与活性炭间形成给受复体。活 性炭中的羧基氧为电子给体，溶质中的芳环中有NO2一类取代基时， 给受作用还要加强。 （2）非极性的链烷化合物在活性炭表面的吸附过程同样也受酸 性氧化物的阻碍，这类化合物只是在无酸性氧化物的活性炭表面上 才能很好地被吸附。但在特殊情形下，当活性炭表面上的金属能起 加强吸附作用时，非极性的链烷化合物也能很好地被含有酸性氧化 物的活性炭吸附。突出的例子为活性炭吸附二丁基二硫（C4H9）2S2 的研究结果。（C4H9）2S2 是水中产生臭及味的原因。由于S—S键 是一个过剩电子的定位点，受活性炭表面的正电荷金属离子诱发了 （C4H9）2S2 分子的感应极化，加强了吸附能量，可以不受酸性氧化 物的影响。 （3）活性炭对于吸附无机物也有一定的潜力。粒状活性炭对于 Ag+,Cd2+,及Cr042- 等离子的吸附去除率可达85%以上。对于水中大多 数的金属如锑，砷，铋，锡，汞，钴，铅，镍，铁等均有很好的吸 附潜力。活性炭对水中卤族分子Cl2，Br2，及I2的吸附能力顺序为良 好,强及很强，Cl2及Br2 并被还原。 总之，活性炭的吸附性能是由它的表面基团类型，比表angmuir和BET公式都是理论公式，Freundlich公式则属于经验 公式。Langmuir公式是根据吸附的物质只有一层分子厚的假定出 来的。由于吸附剂的表面积是一定的，Langmuir公式中必然要出 现一个吸附量的极限值来。BET公式则从许多层物质的假定推导出 来的，故吸附量没有极限值，平衡浓度则以被吸附物质的饱和浓 度为极限。Freundlich公式则能适应介乎上述两者间的吸附情况。 最后要强调的是，究竟应选择哪一个公式来处理吸附数据， 必须以实验数据按照不同的吸附公式运用数学的方法进行比较得 出。
x 0.13 0.345 20 0.249 (mg / mg ) m 1 0.13 20
因此,物料衡算方程将变成 100（20—1）=M（0.249—0.0397） 每秒钟补充的新鲜活性炭M=9.1克，比47.9克小多了。
上面的计算提出了一个逆流吸附的概念。实践中需要两 个串联起来的CSTR才能体现。如下图与例题2相比，例题1 的操作方式称为顺流吸附。
M/g· s1
M/g· s-1
图2 二级逆流吸附
例题2 原始资料同例1，但按照图2所示的二级逆流吸附操作， 求每秒补充的新鲜活性炭量。 解：CSTR2的平衡浓度ρ2即出水浓度1mg/L，因此（x/m）2值 也和上题一样，为0.0397 mg/ mg,但CSTR1的ρ1和（x/m）1则必须重 新计算.补充的活性炭量仍以M代替。 在CSTR2中,M mg活性炭所吸附的有机物总量为0.0397M mg, 折合为从每升水中吸附了（0.0397M/100）mg，吸附后的平衡浓度 ρ2为1 mg/L，因此得CSTR的进水有机物质量浓度为
每克炭只起吸附0.0397克有机物的作用,但是,每克这种活性炭 实际具有吸附0.345克有机物的极限潜力(在平衡浓度相当高的条 件下).由于废水的有机物浓度为20 mg/L,这个极限潜力是无法发挥 的.如果把每克已经吸附了0.0397克有机物的活性炭再用来处理含 有20 mg/L有机物的废水,那么,活性炭的吸附能力为
3. 活性炭性能及影响因素及吸附作用 （1）表面的氧化物复体（complex）的性能。一般把活性炭的 表面氧化物分成酸性的和碱性的两大类。酸性官能团有：羧基，酚 羟基，醌型羰基，正内酯基，荧光型内酯基，羧酸酐基及环式过氧 基等， 其中羧酸基，内酯基及酚羧基被多次报导为主要酸性氧化物， 对于碱性氧化物的说法有分歧。有的认为是如氧萘的结构，为苯并 恶英的衍生物，另一种说法认为碱性氧化物最好用类似吡喃酮的结 构来代表。 （2）酸性氧化物使活性炭具有极性的性质，因之倾向于吸附极 性较强的化合物。这些带极性的基团易于吸附带极性的水，因而阻 碍了在水浴液中吸附非极性物质的过程。为了避免形成更多的类似 羧基的基团，妨碍吸附非极性物质的过程，活化的温度必须在900OC 附近，再生的温度也同样注意。 （3）活性炭表面的金属离子部位带有正电荷，对那些有过剩电 子的部位的分子有吸引力，可以增加活性炭吸附的速率。活性炭表 面带有金属的是有利的。
假
第三节 Langmuir公式的推导
设 ！
推导假定有如下四条： （1）被吸附的物质只有一层分子厚； （2）被吸附物质的颗粒和水分子一样大； （3）每个吸附颗粒占面积σ o ； （4）只考虑在单层内的平衡关系。
如果用○及 ◎ 分别代表未被吸附的水分子及物质颗粒，●及⊙ 分别代表被吸附的水分子及物质颗粒，它们都是一般大，固定在吸 附表面上形成一层均匀的厚度。 假设被吸附的水分子和物质颗粒的粒目分别为n1s及n2s个；则未 被吸附的粒目分别为n1及n2个。由于两者颗粒大小相等，1克吸附剂 表面所具有的吸附部位数量是一定的（即n1s+n2s=n，即1克吸附剂表 面共有n个σo面积），在吸附部位以外能容纳水分子或者物质颗粒的 个数必然是一定的，也就是说，1克吸附剂表面积上能容纳的颗粒 总数量是一定的。
x f ( e ,T ) m
当T不变时
x f '(e ) m
按上述试验过程所得的 x/m对ρe所画出的曲线称为吸附等温线。 常见的吸附等温线有三种类型，每种类型相应于一种吸附公式， 如下页图所示：
x m
x ( )0 m
x m
x m
e
e
s
e
Ⅰ型
Ⅱ型
Ⅲ型
Ⅰ型：ρe没有极限值，但是x/m却有一极限值（x/m）0 。这 类吸附实验资料可以用Langmuir公式处理。 Ⅱ型： ρe有一个极限值ρs ，称为饱和浓度，但是x/m却没有 极限值，这种类型等温线可以用BET（brannauer 、Emmett 、 Teller）公式处理。 Ⅲ型： ρe与x/m都没有极限值，可以用Freundlich公式处理。 具体处理过程见下页
第三章 活性炭吸附
第三章
活性炭吸附
第一节 活性炭的性能 1. 活性炭的制造——分为炭化及活化两步。炭化也称热解，是在隔 热空气的条件下对原材料加热，一般温度在600 OC以下。炭化有多 种作用： 一是使原材料分解放出H2O, CO, CO2 及H2等气体。第二个作用 是易使原材料分解成碎片，并重新集合成稳定的结构。活化是在有 氧化剂的作用下，对炭化后的材料加热。当氧化过程的温度在800— 900OC时，一般用蒸汽或CO2为氧化剂；当氧化过程的温度在600OC 以下时，一般用空气做氧化剂。在活化的过程中，烧掉了炭化时吸 附的碳氢化合物，起了扩大孔隙的作用，并把孔隙与孔隙之间烧穿， 活化使活性炭变成一种良好的多孔结构。 2.活性炭的吸附性能 活性炭分成粉末状和粒状两种类型。每克活性炭的表面积可高达 1000 m2 。 但99.9%以上的面积都在多孔结构颗粒的内部。活性炭的 极大地吸附能力即在于此。粒状以吸附柱的形式来应用，当吸附能 力饱和后，通过再生以恢复其吸附能力。粉末活性炭系直接投加于 水中，经混合吸附后分离出来，由于再生技术尚未完善的关系，过 去往往作为废物排掉。
以（x/m）1和(x/m)2带入得
0.0397M 1) 100 100(20 1 ) [ 0.0397]M 0.0397M 1 0.13( 1) 100 0.13 0.345(
以ρ1=(0.0397M/100)+1代入并整理成下列形式
19 0.0397( M / 100) [ 0.00178 ( M / 100) 0.045 0.0397](M / 100) 0.00517 ( M / 100) 1.13
1 (
0.0397 M 1)mg / L 100
ρ1也就是CSTR1的平衡浓度，由ρ1可得CSTR的吸附量为
x ( ) m 0.13 0.345 ( 0.0397M 1) 100 0.0397M 1 0.13( 1) 100
仿照例题1对CSTR1写物料衡算方程得
x x 100 (20 1 ) [( )1 ( ) 2 ]M m m
第二节 吸附等温线 当达到平衡浓度ρe时，可知m mg活性炭所吸附的杂质量为 V（ρi-ρe） mg，因为每mg活性炭所吸附的杂质量为
V (i e ) x m m
其中x 代表被吸附的杂质质量。 当然，对同样的原水用不同种类的活性炭进行吸附试验，所得到 的平衡浓度ρe是不相同的，因而x/m值也不相同。但对同一种活性炭 来说,实验证明:
x b( x / m) 0 e 0.13 0.3451 0.0397(mg / mg) m 1 b e 1 0.131
令每秒种投加的补充活性炭为M mg，因投加的是新鲜活性炭， 未吸附任何有机物，即初始吸附量（x/m）0值为0，由物料平衡关 系有 100（20—1）=M（0.0397—0） M=1900/0.0397=47858 mg/S=47.9 g/S
Q=100L/S ρi=20mg/L
CSTR
100L/S ρ0=1mg/L
M/g· s-1 图1 顺流吸附
ρ/mg·L-1 100L/s (x/m) M/g· s-1
ρ1
活性炭 M/g· s-1
ρ1/mg· L-1
ρ2 CSTR2 (x/m)2
1mg/L 100L/s
CSTR1 （ x/m ）
1
(x/m)2
K s s n 2 ( n n2 ) n2 n1
b' n2 n (1 b' n2 )n2
n2
s
s
b' n2 n
b=b’L n2/L代表未 被吸附物质 的摩尔数， 相当于平衡 浓度ρe 得到Langmuir公式
1 b' n2
n2 L
两边同时除以Avogadro常数L，得到
x m b ( x / m) 0 1 b n2 L