活性炭吸附 (2)

qe

bq0Ce 1 bCe
q0-吸附剂的吸附容量极限值，mg/g b-常数项，L/mg
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（2）BET式
qe

(Cs

Bq0Ce Ce )1 (B
1)
Ce Cs

Cs-吸附质平衡浓度的最大值， mg/g
B-常数项，L/mg
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(3)Freundlich等温式(经验式）
4
2.原理： 吸附剂表面上的分子受力不均衡 → 存在剩
余力场（即具有表面能）。 根据热力学第二定律，这种能力有自动变小的
趋势。当溶液中的吸附质 → 达到吸附剂表面时， 致使界面上的分子受力变得均衡一些，从而降低 了这种表面能。这就是吸附过程自动发生的一种 推动力。
因此吸附的本质是物质从液相（或气相）到固 相表面的一种传质现象。
腐植酸类吸附剂：
主要有天然富含腐植酸的风化煤、泥煤、 褐煤等。
目前已经有很多成型产品（填料）投放 市场，用于水处理吸附。
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应用举例
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吸附等温式的应用
由图可见，Langmuir吸附等温 式大体上适用。
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5.应用举例
qe = K ce1/n
由图可见，Freundlich吸附等温式也 适用。
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如石灰吸附CO2 → CaCO3 ·吸附热大，一般在较高温下进行。
·具有选择性，单分子层吸附。
·化学键力大时，吸附不可逆。
3）离子交换吸附：静电引力
吸附质的离子→吸附剂表面的带电点上，同时吸 附剂也放出一个等当量离子。
·离子电荷越多，吸附越强。
·离子水化半径越小，越易被吸附。
实际过程中物理和化学吸附是主要的，比较如下：
2.吸附量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）。
式中：
q V (C0 Ce ) W
V—废水容积；
W—活性炭投量，g
C0—废水吸附质浓度（g/L） Ce—吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度 —平衡浓度
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3.吸附等温线 在一定T下，q随平衡浓度Ce变化的曲线
A炭的吸附容量较B炭大，当浓度较高时B炭的吸 附效果有所改善；当低浓度吸附C时吸附容量比 D炭高，但在高浓度时，吸附容量D炭C炭高。
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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。
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4. 吸附等温曲线的测定
用6个以上的具塞磨口三角烧瓶，取同样体积及浓 度的污水，在每个瓶中加入不同的炭量（其中包 括一个空白瓶），用振荡机混合均匀，使吸附达 到平衡。测定各瓶中污水的残余浓度，计算其吸 附容量（qe）。计算lgqe和 lgci值，在坐标纸上， 以lgqe为纵坐标，以 lgci为横坐标，求得吸附等 温曲线的K值和1/n。
用经验数据设计：
滤速：5～10m/h（空塔流速，superficial velocity)或空床 接触时间（empty bed contact time,EBCT ,10～30min)
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4.1.3 吸附等温式与吸附速度
1.吸附平衡 (1)定义
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。
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4.1.1 吸附现象及类型
1.吸附的定义 在相界面上,物质的浓度自动发 生积累或浓集的现象称为吸附
吸附剂 具有吸附能力的多孔性固体物质称为吸 附剂
吸附质 被吸附的物质称为吸附质 吸附的类型(吸附剂表面吸附能力的不同) 物理吸附 范德华力 化学吸附 化学键
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吸附质的d）
吸附剂颗粒直径d↓，v 。
d的大小对内、外部扩散都有很大影响，
d↓,v 。所以，粉末状活性炭比粒状活性炭的
吸附速度要快，接触时间短，设备容积小。
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8. 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、吸附剂是否是极性 分子等。 (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。 ② 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。
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一般来说，吸附量主要受小孔支配，但对 于分子量（或分子直径）较大的吸附质，小孔 几乎不起作用。
所以，在实际应用中，应根据吸附质的直 径大小和活性炭的孔径分布来选择合适的活性 炭。
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3 活性炭的表面化学性质
吸附不仅与构造和细孔分布有关，还与其 表面化学性质有关。
活性炭是非极性的，但在制造过程中，易 于与氢、氧结合而具有微弱的极性。
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吸附性能 物理吸附
化学吸附
作用力 分子引力（范德华力） 剩余化学键力
选择性 没有选择性
有选择性
吸附层 吸附热
单分子或多分子吸附 层
较小，＜41.9kJ/mol
只能形成单分子吸附层
较大，相当于化学反应热， 83.7-418.7kJ/mol
吸附速度 快，几乎不要活化能 较慢，需要活化能
（q=f(Ce)）叫吸附等温线。用数学公式描述 则叫吸附等温式。 4.吸附等温式（三种）
朗谬尔公式 表示I型吸附等温线的有费兰德利希公式 表示II型吸附等温线的有BET公式
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(1)Langmuir等温式
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。
间歇式 固定床
吸附的操作方式 连续式 移动床
流化床
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4.2.2 活性炭吸附装置的类型
（1）固定床
图1-1 固定床吸附塔构造示
意图
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一般的固定床吸附柱中，吸附柱的总厚度为 3~5m，分成几个柱串联工作，每个柱厚度 1~2m。过滤速度在4~15m/h之间，接触时间一 般不大于30~60min。为防止吸附剂层的堵塞， 含悬浮物的废水一般先应经过砂滤，再进行吸 附处理。
温度
放热过程，低温有利 温度升高，吸附速度增加 于吸附
可逆性 可逆，较易解析
化学键大时，吸附不可逆
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4.1.2 吸附剂 具有一定吸附能力的多孔物质都可以作吸附剂。
有活性炭、活化煤、焦炭、煤渣。 活性碳是水处理中应用最为广泛的吸附剂。
1. 活性碳的制造 原料：木材、煤，经高温炭化和活化而成。 炭化：温度500-600℃，将原料热解为碳渣。 活化：把碳渣造成发达的多孔结构 主要有两种活化方法： 气体法：通入水蒸气 药剂法：用氯化锌、 硫酸等作为活化剂。
正因如此，它不仅可以去除水中的非极性 物质，还可去除极性物质甚至微量的金属离 子及化合物。
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4 活性炭的特点 A.具有良好的吸附性能和化学稳定性 B.可耐酸碱 C.能经受水浸、高温、高压作用 D.不易破碎，气流阻力小 E.粉状活性炭制造容易、成本低，但不易再生 粒状活性炭成本较高，但操作管理和再生容易
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吸附剂
活性碳：吸附力强，比表面积可达8002000m2/g，价格低，制备容易，再生困难。
再生方法
1)加热再生法：提高温度，使吸附分子脱附。 注意加热再生炉应在缺氧状态下工作，炭量 损失少。
2)化学再生法：通过化学反应使吸附质转化
为易溶于水的物质解析下来。 电厂废水及治理
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吸附剂
吸附能力 吸附速度
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 阶段
颗粒外部 扩散阶段
孔隙扩散 阶段
吸附反应 阶段
吸附质从溶液中扩散到吸附 剂表面
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
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溶液浓度C↑，则 v 颗粒直径d↓，则 v 加强搅动，则 v 而颗粒内部扩散速度 v =f（细孔大小与构造，
1
qe kCe n
K——Freundlich吸附常数
n——常数，通常n>1
一般认为，1/n 介于0.1～0.5，则易于吸附； 1/n ＞2 时难以吸附。K值越大,活性炭的吸附容量越大, 1/n 表示随着浓度的增加吸附容量增加的速度.
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利用K值和 1/n 比较不同活性炭的吸 附特性
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6.两点说明
1.以上两种形式的吸附等温线公式,公式 用于单组分吸附,即Ci指污水中某一种物 质的平衡浓度，如酚、COD、BOD、油、 色度。
2.可粗略地进行成本估算.
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7. 吸附速度
v V (C0 Ct ) mt
mg /(g min)
吸附速度决定了废水和吸附剂的接触时间， 该值越大，则接触时间越短，所需设备容积就 越小，反之亦然。
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吸附过程一般分为3个阶段： ⅰ 液膜扩散（颗粒外部扩散）阶段 ⅱ 颗粒内部扩散阶段 ⅲ 吸附反应阶段：吸附质被吸附在细孔内表面上。 吸附反应速度非常快，V主要取决于第ⅰ 、 ⅱ
阶段速度，而颗粒外部扩散速度（液膜扩散）
v f (c、d、搅动）
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影响吸附的因素
衡量 指标
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（2）移动床
图1-2 移动床吸附塔构 造示意图
l—通气阀；2—进料斗； 3—溢流管；
4、5—直流式衬胶阀； 6—水射器；7—截止阀
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（3）流化床
多层流化床吸附塔结构示意图
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4.2.3 吸附水中有机物的粒状活性炭床的设计
设计参数：滤速、活性炭吸附容量、运行周期
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3.类型： 根据吸附剂表面吸附力的不同，吸附可分为
以下三种类型： 1）物理吸附：分子间的作用力所引起的。
·吸附热较小，可在低温下进行。 ·过程是可逆的，易解吸。 ·没有选择性。分子量越大，吸附量越大。 ·可形成单分子吸附层或多分子吸附层。
2）化学吸附： 由化学键力引起的――产生化学反应。
板形，毛细管形等。直径为1～10000 nm。
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根据杜必宁的分类，细孔分为： A. 小孔（微孔） 半径在2nm以下，其表面积占比表面积的95%以上， 对吸附量的影响最大。 B.中孔（过渡孔） 半径为2～100nm ,表面积占比表面积的5%以下。它 为吸附质提供扩散通道，影响大分子物质的吸附。 C.大孔 半径为100～10000nm，表面积只有0.5～2m2/g，占 比表面积不足1%，主要为吸附质提供扩散通道。
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水蒸气
原料
碳化
破碎、造粒
活化
洗涤
成品
筛分
干燥
颗粒状活性炭的制造工艺
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2 活性炭的构造 吸附作用主要发生在细孔表面。 比表面积：每克吸附剂具有的总表面积。可
达500～1700m2/g。 吸附量除与比表面积有关外，还与细孔的形
状和分布有关。 细孔的构造有；圆桶形，圆锥形，瓶形，平
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③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） ④ 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 ⑤ 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4章 活性炭吸附
4.1 吸附的基本理论 4.2 吸附装置及操作 4.3 吸附法的应用 4.4 活性炭水处理装置运行与管理
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4.1 吸附的基本理论
4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4
吸附现象及类型 吸附剂 吸附平衡与吸附等温式 影响吸附平衡的因素
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易吸附的有机物; 芳烃溶剂类 苯 甲苯 有机物 硝基甲苯 氯化芳烃类 五氯酚类 氯酚类 多环芳香烃类 艾氏剂 DDT
不易吸附的有机物： 低相对分子量的酮类 糖及淀粉 极高的相对分子量或胶体 低相对分子量的脂肪类
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4.2 吸附操作及装置
4.2.1活性炭吸附操作方式
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(3)废水的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。