兰州交通大学：《水质工程学》课程教案讲义（打印版）第6章吸附.pdf_大学文库

的吸附剂有活性炭，磺化煤、活化煤、沸石、活性白土、硅藻土、腐殖质酸、焦炭、木炭、术屑等。本节者重介绍在水处理中应用较广的活性炭。 1.活性炭制造活性炭几乎可利用含碳的任何物质做原料来制造，包括木材、锯末、煤、果壳（核）、骨头、皮革废物、纸厂废物等。近年来有些国家倾向于用天然煤和焦炭制造粒状活性炭。活性炭的制造分碳化和活化两步。碳化也称热解，是在隔绝空气的条件下对原材料加热，一般温度在600℃以下（常用300~400℃）。碳化作用一是使原材料分解放出水气、一氧化碳、二氧化碳和氢等气体：二是使原材料分解成碎片，并重新集合成稳定的结构。活化是在氧化剂的作用下，对碳化后的材料加热，使碳渣内部形城发达的多孔结构。活化的方法有气体法和药剂法两种。若采用气体活化，当氧化过程的温度在800~900℃时，一般用蒸气或C0为氧化剂：当氧化温度在600℃以下时，一般用空气做氧化剂。药剂活化法则常用氯化锌、硫酸等作活化剂。粒状炭多采用水蒸气活化法，以立式炉或管式炉为活化炉。 2.活性炭的细孔构造和分布活性炭在制造过程中，晶格间生成的空隙形成各种形状和大小的细孔。吸附作用主要发生在细孔的表面上。每克吸附剂所具有的表血积称为比表面积。活性炭的比表面积可达500~1700m/g。其吸附量并不一定相同，因为吸附量不仅与比表面积有关，而且还与细孔的构造和细孔的分布情况有关。活性炭细孔的形状与分布取决于活化方法和活化条件。细孔的形状有圆简形、瓶形、平板形、V字形、毛细管形等。细孔的半径一般在1~10000m之间活性炭的孔隙分为三类：①小孔（微孔）。半径在2m以下，其表面积占比表面积的95%以上，对吸附量的影响最大：②中孔（过渡孔）。半径为2~100m 其表面积占比表面积的5%以下，它为吸附质提供扩散通道，不仅有利于扩散，而且有利于大分子物质的吸附：③大孔。半径为100~10000nm,其表面积只有 0.5~2m/g,占比表面积的比例不足1%，它主要为吸附质提供扩散通道。细孔大小不同，它在吸附过程中所引起的主要作用也就不同。对液相吸附来说，吸附质虽可被吸附在大孔表面，但由于活性炭大孔表面积所占的比例较小，故对吸附量影响不大。它主要为吸附质的扩散提供通道，使吸附质通过此通道扩散到过渡孔和小孔中去，因此吸附质的扩散速度受大孔影响。活性炭的过渡孔除为吸附质的扩散提供通道使吸附质通过它扩散到小孔中去而影响吸附质的扩散速度外，当吸附质的分子直径较大时，这时小孔几乎不起作用，活性炭对吸附质的吸附主要靠过渡孔米完成。活性炭小孔的表间积占比表面积的95%以上，所以吸附量主要受小孔支配。由于活性炭的原料和制造方法不同，细孔的分布情况相差很大，所以应根据吸附质的直径和活性炭的细孔分布情况选择合适的活性炭。 3.活性炭的表面化学性质活性炭的吸附特性不仅与细孔构造和分布情况有关，而且还与活性炭的表面 3

化学性质有关。活性炭是由形状扁平的石墨型微晶体构成的。处于微晶体边缘的炭原子，由于共价键不饱和而易与其他元素如氧、氢等结合形成各种含氧官能团，使活性炭具有一些极性。目前对活性炭含氧官能团（又称表面氧化物）的研究还不够充分，但己证实的有0H基，-C00H基等。活性炭本身是非极性的，但其表面的氧化物使活性炭具有极性的性质，因而倾向于吸附极性较强的化合物。因此，活性炭不仅可以去除水中的非极性物质，还可以吸附极性溶质甚至某些微量的金属离子及其化合物。正因为如此，活性炭在废水处理中应用十分广泛活性炭有粒状与粉状之分，粒状活性炭制造成本较高，但使用方便，再生容易。粉状活性炭吸附能力强，容易制造，成本低，但不易再生。三、吸附等温线 1.吸附平衡如果吸附过程是可逆的，当废水与吸附剂充分接触后，一方面吸附质被吸附剂吸附，另一方血，一部分已被吸附的吸附质，由于热运动的结果，能够脱离吸附剂的表面.又回到液相中去。前者称为败附时程.后者称为醒吸过程。当吸附谏度和解吸速度相等时，即单位时间内吸附的数量等于解吸的数量时，则吸附质在溶液中的浓度和吸附剂表血上的浓度都不再改变而达到平衡。此时吸附质在溶液中的浓度称为平衡浓度。吸附剂吸附能力的大小以吸附量q(g/g)表示。所谓吸附量是指单位重量的畈附剂(g)所吸附的吸附质的重量(g),取一定容积V),含吸附质浓度为C(g/L) 的水样，向其中投加活性炭的重量为W(g)。当达到吸附平衡时，废水中剩余的吸附质浓度为C(g/L),则吸附量q可用下式计算： 9-V(c.-c) 式中--废水容积，L: W一一活性炭投量，g: C。-一原水吸附质浓度，g/L: C一一吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度，g/L。在温度一定的条件下，吸附量随吸附质平衡浓度的提高而增加。把吸附量随平衡浓度而变化的曲线称为吸附等温线。常见的吸附等温线有两种类型，如图 13-34所示。 2.吸附等温式由于液相吸附很复杂，至今还没有统一的吸附理论，因此液相吸附的吸附等温式一直沿用气相吸附等温式。表示【型吸附等温式有朗谬尔公式和费兰德利希公式，表示Ⅱ型吸附等温式有ET公式，现分述如下 ①朗谬尔公式朗谬尔公式是从动力学观点出发，通过一些假设条件而推导出来的单分子吸

就越小。市场上供应的吸附剂，在产品样本中附有各种吸附量的指标，如对腆、亚甲蓝、糖蜜液、苯、酚等的吸附量。这些指标虽然表示吸附剂对该吸附质的吸附能力，但这些指标与对废水中吸附质的吸附能力不一定相符，因此应通过试验确定吸附量和选择合适的吸附剂。测定吸附等温线时，吸附剂的颗粒越大，则达到吸附平衡所需的时间就越长。因此，为了在短时间内得到试验结果，往往将吸附剂破碎为较小的颗粒后再进行试验。由颗粒变小所增加的表面积虽然是有限的，但由于能够打开吸附剂原来封闭的细孔，使吸附量有所增加，此外，对实际吸附设备运行效果的影响因素很多，因此，由吸附等温线得到的吸附量与实际的吸附量并不完全一致。但是，通过吸附等温线所得吸附量的方法简便易行，为选择吸附剂提供了可比较的数据，对吸附设备的设计有一定的参考价值。四、吸附速度吸附剂对吸附质的吸附效果，一般用吸附容量和吸附速度来衡量。所谓吸附速度是指单位重量的吸附剂在单位时间内所吸附的物质量。吸附速度决定了废水和吸附剂的接触时间。吸附速度越快，接触时间就越短，所需的吸附设备容积也就越小。吸附速度决定于吸附剂对吸附质的吸附过程。水中多孔的吸附剂对吸附质的吸附过程可分为3个阶段。第一阶段称为颗粒外部扩散（又称膜扩散）阶段。在吸附剂颗粒周围存在着层固定的溶剂薄膜。当溶液与吸附剂作相对运动时，这层溶剂薄膜不随溶液一同移动，吸附质首先通过这个薄膜才能到达吸附剂的外表面，所以吸附速度与液膜散速度有关。第二阶段称为颗粒内部扩散阶段。经液膜扩散到吸附剂表面的吸附质向细孔深处扩散。第三阶段称为吸附反应阶段。在此阶段，吸附质被吸在细孔内表面上。吸附速度与上述3个阶段进行的快慢有关。在一般情况下，由于第三阶段进行的吸附反应速度很快，因此，吸附速度主要由液膜扩散速度和颗粒内部扩散速度来控制。根据试验得知，颗粒外部扩散速度与溶液浓度成正比，溶液浓度越高，吸附速度越快。对一定重量的吸附剂，外部扩散速度还与吸附剂的外表面积（即膜表面积)的大小成正比。因表面积与颗粒直径成反比，所以颗粒直径越小，扩散速度就越大。另外，外部扩散速度还与搅动程度有关。增加溶液和颗粒之间的相对速度，会使液膜变薄，可提高外部扩散速度。颗粒内部扩散比较复杂。扩散速度与吸附剂细孔的大小、构造、吸附质颗粒大小、构造等因素有关。颗粒大小对内部扩散的影响比外部扩散要大些。可见吸附剂颗粒的大小对内部扩散和外部扩散都有很大影响、颗粒越小，吸附速度就越快。因此，从提高吸附速度来看，颗粒直径越小越好。采用粉状吸附剂比粒状炭吸附剂有利，它不需要很长的接触时间， 6

因此吸附设备的容积小。对连续式粒状吸附剂的吸附设备，如外部扩散控制吸附速度，则通过提高流速，增加颗粒周围液体的搅动程度，可提高吸附速度。也就是说，在保证同样出水水质的前提下，采用较高的流速，缩短接触时间可减小吸附设备的容积。不少人根据不同的假设，推导出种种吸附速度公式。因吸附速度公式较复杂又与实际情况相差较大，所以吸附速度多通过试验来确定。五、影晌吸附的因素了解影响吸附因素的目的是为了选择合适的吸附剂和控制合适的操作条件影响吸附的因素很多，其中主要有吸附剂的性质、吸附质的性质和吸附过程的操作条件等。 1.吸附剂的性质由于吸附现象是发生在吸附剂表面上，所以吸附剂的比表面积或大，吸附能力就越强吸附剂的种类不同，吸附效果也就不同。一般是极性分子（或离子）型的吸附剂易吸附极性分子（或离子）型的吸附质，非极性分子型的吸附剂易于吸附非极性的吸附质。另外，吸附剂的颗粒大小，细孔的构造和分布情况以及表面化学性质等对吸附也有很大影响 2.吸附质的性质 (1)溶解度吸附质在废水中的溶解度对吸附有较大的影响。一般吸附质的溶解度越低越容易被吸附。 (2)表面自由能能够使液体表面自由能降低的越多的吸附质，也越容易被吸附。例如活性炭自水溶液中吸附脂肪酸，由于含炭越多的脂肪酸分子可使炭液养面自由能降低的越多，所以吸附量也越大。 (3)极性如上所述，极性的吸附剂易吸附极性的吸附质，非服性的吸附剂则易于吸附非极性的吸附质。例如活性炭是一种非极性的吸附剂或称疏水性吸附剂，可从溶液中有选择地吸附非极性或极性很低的物质。硅胶和活性氧化铝为极性吸附剂或称亲水性吸附剂，它们可从溶液中有选择地吸附极性分子（包括水分子）。例如填充硅胶的吸附柱先向吸附柱通苯达到吸附饱和后再向吸附柱通苯和水的混合液则原先被吸附的苯逐渐为水所置换而被解吸出来，这是因为硅胶为极性吸附剂，它对极性的水分子的吸附能力比非极性的苯分子为大，故优先吸附水。又如填充活性炭的吸附柱先通水使之达到吸附淘和，再通苯和水的混合液，则原先被活件炭吸附的水逐渐为苯所置换而解吸出来，这是因为活性炭为非极性吸附剂，它对非极性的苯的吸附能力比对极性的水为大，故优先吸附苯。 7

(4)吸附质分子的大小和不饱和度吸附质分子的大小和不饱和度对吸附也有影响。例如活性炭与沸石相比，前者易吸附分子直径较大的饱和化合物。而合成沸石易吸附分子直径小的不饱和的 (C=C<,一C=C一)化合物。应该指出的是活性炭对同族有机化合物的吸附能力，虽然随有机化合物的分子量的增大而增加，但分子量过大，会影响扩散速度所以当有机物分子量超过一「时，需进行预处理，将其分解为小分子量后再用活性炭进行处理。 (⑤)吸附质的浓度吸附质的浓度对吸附也有影响。浓度比较低时，由于吸附剂表面大部分是空着的，因此提高吸附质浓度会增加吸附量，但浓度提高到一定程度后，再行提高浓度时，吸附量虽仍有增加，但速度减慢。这说明吸附表面已大部分被吸附质所占据当全部吸附表血被吸附质占据时，吸附量就达到极限状态，以后吸附量就不再随畈附质的浓度的提高而增加了。 3.废水的H值废水的pH值对吸附剂及吸附质的性质有关。活性炭在酸性溶液中比在碱性溶液中有较高的吸附率。另外，pH值对吸附质在水中存在的状态（分子、离子、络合物等）及溶解度有时也有影响.从而对吸附效果也有影响。 4.共存物质物理吸附，吸附剂可吸附多种吸附质。一般共存多种吸附质时，吸附剂对某种吸附质的吸附能力比只含该种吸附质时的吸附能力差。 5.温度因为物理吸附过程是放热过程，温度升高吸附量减少，反之吸附量增加。温度对气相吸附影响较大，但对液相吸附影响较小。 6.接触时间在进行吸附时，应保证吸附质与吸附剂有一定的接触时间，使吸附接近平衡，充分利用吸附能力。畈附平衡所需时间取决于吸附速度。吸附速度越快，达到吸附平衡所需的时间就越短。六、吸附操作方式在废水处理中，吸附操作分静态和动态两种 1.静态吸附在废水不流动的条件下，进行的吸附操作称为静态吸附操作。静态吸附操作的工艺过程是，把一定数量的吸附剂投加入预处理的废水中，不断地进行搅拌达到吸附平衡后，再用沉淀或过滤的方法使废水和吸附剂分开。如经一次吸附后，出水的水质达不到要求时，往往采取多次静态吸附操作。多次吸附由于操作麻烦所以在废水处理中采用较少。静态吸附常用的处理设备有水池和桶等

2.动态吸附动态吸附是在废水流动条件下进行的吸附操作。， ()吸附设备废水处理常用的动态吸附设备有同定床、移动床和流化床。 1)固定床这是水处理工艺中最常用的一种方式。当废水连续通过填充吸附剂的吸附设备（吸附塔或吸附池）时，废水中的吸附质便被吸附剂吸附。若吸附剂数量足够时从吸附设备流出的废水中吸附质的浓度可以降低到零。吸附剂使用一段时间后，出水中的吸附质的浓度逐渐增加，当增加到某一数值时，应停止通水，将吸附剂进行再生，吸附和再生可在同一设备内交替进行，也可将失效的吸附剂卸出，送到再生设备进行再生。因为这种动态吸附设备中吸附剂在操作中是固定的，所以叫固定床。固定床根据水流方向又分为升流式和降流式。降流式周定床如图13-36所示。降流式固定床的出水水质较好，但经过吸附层的水头损失，特别是处理叫含悬浮物含量较高的废水时，为了防止悬浮物堵塞吸附层，需定期进行反冲洗。有时需要在吸附层上部设反冲洗设备。在升流式固定床中，当发现水头损失增大，可适当提高水流流速，使填充层稍有膨胀（上下层不能互相混合），就可以达到自清的目的。这种方式由于层内水头损失增加较慢，所以运行时间较长为其优点，但对废水人口处（底层）吸附层的冲洗难于降流式。另外由于流量变动或操作一时失误就会使吸附剂流失，为其主要缺点固定床根据处理水量、原水的水质和处理要求可分为单床式、多床串联式和多床并联式三种。固定床吸附塔的设计要求：(P545) 废水处理采用的固定床吸附设备的大小和操作条件，根据实际设备的运行资料建议采用下列数据 2)移动床移动床的运行操作方式如下（见图13-38）：原水从吸附塔底部流人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，接近吸附饱和的吸附剂从塔底间歇地排出，这种方式较固定床能充分利用吸附剂的吸附容量并且水头损失小。由于采用升流式，废水从塔底流入，从塔项流出，被截留的悬浮物随饱和的吸附剂间数地从制制，所以不需要反冲洗设备。但这种操作方要求塔内吸附剂上下层不能互相混合，操作管理要求高。移动床一次卸出的炭量一般为总填充量的5%~20%，在卸料的同时投加等量的再生炭或新炭。卸炭和投炭的颊率与处理的水量和水质有关，从数小时到一周移动床进水的悬浮物浓度不大于30mg/L。移动床高度可达5-10m。移动床占地血积小，设备简单，操作管理方便，出水水质好，目前较大规模的废水处理多采

兰州交通大学：《水质工程学》课程教案讲义（打印版）第6章 吸附

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