6吸附水质工程学

吸附11.2.1吸附及其类型11.2.2吸附等温线11.2.3吸附速度11.2.4影响吸附的因素11.2.5常用吸附剂11.2.6吸附操作方式与设计11.2.7吸附剂的再生11.2.8吸附在水处理中的应用吸附及其类型一、吸附的定义二、吸附的原因三、吸附的种类四、吸附的特征吸附的定义在相界面上，物质的浓度自动发生积累和浓集的现象称为吸附，它可以发生在不同的相界面上。废水处理中，主要利用固体物质对液相中污染物质的吸附作用。吸附法(工艺)：利用多孔性的固体物质，使废水中一种或多种污染物吸附于固体表面而得到去除。吸附剂──具有吸附能力的多孔性固体物质。吸附质──(废水中)被吸附的物质。吸附的原因由表面张力与表面能的变化引起，具体可参见《物理化学》中表面化学部分。吸附的种类根据吸附力不同可分为：物理吸附：分子间力(范德华引力)吸附化学吸附：化学键力交换吸附：静电引力吸附的实质：表面现象，减小界面能的一种方式物质吸附于固体表面之后，减小表面张力，使界面上的分子受力趋于均衡，故是自动发生的。吸附的特征1、物理吸附①吸附时表面能降低、放热；②可在低温下进行∵不需要活化能③选择性不强，吸引力随分子量增大而增大，可以吸附多种吸附质；④易于解吸(吸附的逆过程)∵分子的热运动；⑤可形成单层或多层吸附。吸附的特征2、化学吸附①吸附热大，需在高温下进行；②具有选择性；③化学键力大时，吸附不可逆；④只能形成单分子吸附层。吸附的特征3、交换吸附吸附质的离子由于静电引力聚集到吸附剂表面带电点，同时吸附剂也放出等当量离子。离子带电荷多，吸附强；电荷相同，水化半径小，吸附力强。三种吸附作用往往相伴发生，水处理中的吸附大部分是综合作用的结果。吸附等温线由于吸附是一种表面化学过程，因此研究吸附可从两方面进行：化学平衡和化学反应速度。吸附等温线实际上表达了吸附达到动态平衡时的平衡浓度表达式。一、吸附平衡二、吸附剂的吸附量三、吸附等温线吸附平衡吸附速度=解吸速度如果吸附是可逆的，存在吸附和解吸两个过程。当吸附质在吸附剂表面达到动态平衡时，吸附质在溶液中的浓度和吸附剂表面的浓度都不再改变，此时溶液中的吸附质浓度称为平衡浓度。吸附剂的吸附量吸附剂吸附能力的大小用吸附量表示：单位重量的吸附剂吸附的吸附质的重量。吸附量q（g/g）按下式计算：MCCVq)(0（11-23）式中：V——水的体积，L；C0——原水中吸附质浓度，g/L；C——平衡水中的残余吸附质浓度，g/L；M——活性炭投加量，g吸附等温线温度一定的条件下，V、C0一定时，改变投炭量，吸附的平衡浓度和吸附量均发生相应改变。其规律如图11-2-1所示。在双对数坐标上可得一近似直线（如图11-2-2）。表示吸附等温线的方程为等温吸附式，常用两种1、Freundlich等温吸附公式2、Langmuir等温吸附公式Freundlich等温吸附公式根据图11-2-2可知：CnKqlglglg（11-24）nKCq（11-25）式中：K，n——常数Freundlich等温吸附公式是一个经验公式Langmuir等温吸附公式根据分子运动学说，通过一些假设而推导的单分子层吸附公式如下：aCabCq1(11-26)式中：a，b—常数bCabq1111线性化：(11-27)如图11-2-3所示吸附速度吸附速度：单位时间内单位重量的吸附剂所吸附的物质的量。水中多孔吸附剂对吸附质的吸附过程分三个阶段：①颗粒外部扩散(膜扩散)阶段──吸附质通过液膜②内部扩散阶段──吸附质向细孔深处扩散③吸附反应阶段──吸附质被吸附于细孔表面上第三阶段一般进行很快，故吸附受前两阶段扩散速度控制。吸附速度外部扩散：与膜两边浓度和膜表面积(即吸附剂外表面积)成正比，与溶液搅动程度有关。增加溶液与吸附剂的相对速度，可使液膜变薄，提高外扩速度。内部扩散：比较复杂，与微孔大小、构造、吸附质颗粒大小、吸附剂颗粒大小有关。吸附剂颗粒小，对提高吸附速度有利。影响吸附的因素一、吸附剂的性质二、吸附质的性质三、pH值四、温度五、接触时间六、生物协同作用吸附剂的性质1、孔的大小活性炭是以含炭物质经高温炭化和活化而成，活化时造成内部孔隙十分发达。一般孔径40埃为微孔，40~100埃为过渡孔，100埃为大孔。活性炭的吸附量主要由微孔支配，因微孔的表面积占总表面积的95%以上。吸附剂的性质2、比表面积活性炭的比表面积一般500~1700m2/g。炭的粒径越小，或微孔越发达，则比表面积越大，吸附量就越大。3、炭的表面化学性质活化时能使炭的表面产生微弱极性，有利于产生离子交换吸附或络合反应，提高处理效果。要求吸附容量大，速度快，机械强度好。吸附质的性质能使液体表面张力降低越多的吸附质，越易被吸附；吸附质浓度的影响可由吸附等温线看出。吸附质的溶解度、表面自由能、分子大小和不饱和程度、极性等均对吸附有影响。pH值溶液的pH值影响溶质在水中的存在状态(分子、离子、络合物)和溶解度，也影响炭的表面电荷特性，活性炭在酸性溶液中吸附性能好，pH9时不易吸附。温度吸附是放热反应，因此温度升高，吸附量减少。接触时间受吸附速度影响，应结合技术和经济两方面考虑。吸附时应保证一定的接触时间，以使吸附接近平衡。接触时间为：vhQWt（11-28）式中：W——炭层容积，m3；Q——流量，m3/h；h——炭层高度，m；v——空塔过滤速度，m/h生物协同作用活性炭使用一定时间后，其表面会繁殖微生物，参与对有机物的去除。目前，有人利用生物活性炭处理低浓度有机废水，取得了较好的效果。有利──参与有机物的分解、去除。不利──增加水头损失，产生厌氧状态。常用吸附剂广义上，一切固体表面都具有吸附作用。实际上，只有多孔物质和尺度很小的物质因为有巨大的表面积，才有明显的吸附能力。废水中处理中常用的吸附剂：活性炭，磺化煤、活化煤、沸石、活性粘土、硅藻土、焦炭、木炭、木屑等，以活性炭应用最广。常用吸附剂活性炭：用含炭为主的原料(木材、煤)，经高温炭化和活化而制成的疏水性吸附剂，外观黑色、有粉状和粒状、棒状等。活性炭晶格间有许多不同形状和大小的细孔，吸附作用主要发生的细孔表面，比表面积500～1700m2/g。吸附量与比表面积、细孔构造和分布、表面化学性质有关。吸附操作方式与设计一、操作方式二、设计操作方式废水进行吸附前，应先经预处理去除悬浮物、油类等杂质，避免堵塞吸附剂的孔隙。吸附操作分为静态与动态操作方式。静态为间歇式，很少用(小流量，间歇排放)；动态操作为连续式，有固定床、移动床和流动床三种。操作方式1、固定床水连续进入和流出，经床层吸附杂质可得到清洁的出水。为充分发挥炭床的最大吸附作用，常采用多塔串联运行。2、移动床水由下部进入上部排出，底层饱和的炭定期由下部排出，经再生的炭由塔顶补充，可节省占地面积。3、流动床（流化床）利用进水动力使炭粒之间发生相对运动，呈流化态悬浮，利于炭水的充分接触。设计1、设计步骤（1）根据静态吸附试验得出不同炭的吸附的等温线，从而选择炭型，并按式11-23计算用炭量；（2）由动态吸附柱试验确定设计参数——炭柱形式、串联级数、炭的使用周期、通水倍数(m3水/Kg炭)、最佳空塔速度；接触时间、炭柱容量、用炭量、再生设备容量；每米炭层水头损失、反冲洗频率、强度等。设计2、动态吸附柱的工作过程与计算动态吸附过程可用穿透曲线（图11-2-4）来表示。以出水吸附质浓度为纵坐标，出水量(或出流时间)为横坐标作图，可得到穿透曲线。设计当废水进入炭柱后，首先由炭层上部发生吸附作用。随着废水的进入，吸附区逐渐下移，当出水中吸附质浓度达到出水要求时，吸附达到终点，此时应对炭柱进行再生。图中炭层上部为饱和区，发生吸附的为吸附带，下部为未吸附区。当出水浓度达到允许的浓度Ca时对应的点为穿透点a；出水浓度达到进水浓度的90~95%时表明吸附能力耗竭，对应的点为吸附终点b。从a到b这段时间Δt内，吸附带所移动的距离为吸附带的长度δ。设计吸附容量的通水倍数：单位重量的炭可处理的水量。若采用单柱吸附，则处理水量为Va，通水倍数为Va/M；若采用多柱串联，则每柱可处理水量增加到Vb，通水倍数为增加为Vb/M。到达吸附终点时，去除的溶质总量相当于穿透曲线与过C0点的水平线之间的面积，可用图解积分求出：dVCCbV00）（去除的总量（11-29）设计若为多柱串联，则串联级数为：abVVn（11-30）通水倍数装炭量QT（11-31）吸附剂的再生在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，将吸附质从吸附剂表面去除，以便恢复吸附剂的吸附能力的过程称为吸附剂的再生。再生方法有加热再生法、蒸汽法、溶剂法、臭氧氧化法和生物法等。吸附在水处理中的应用给水处理：过滤之后，去除微量有害物质的臭味，脱氯废水处理：深度处理，微量污染物。去除难以生物降解或化学氧化的少量有害物质，去色、杀虫剂，洗涤剂及金属离子。与其它水处理技术联合使用：①臭氧—活性炭—饮用水去除有机物，印染废水脱色②投炭活性污泥法(PACT)③生物活性炭法膜分离法概述11.3.1扩散渗析法11.3.2电渗析11.3.3反渗透11.3.4超滤概述凡是使溶液中一种或几种成分不能透过，而其它成分能透过的膜都叫着半透膜。膜分离法就是用一种特殊的半透膜将溶液隔开，使溶液中的某种溶质或溶剂（水）渗透出来，从而达到分离溶质的目的。半透膜最大的特点是选择透过性。概述根据采用的膜的种类不同和分离的推动力不同，膜分离法可区别如下：分离过程推动力膜用途扩散渗析浓度差渗析膜分离溶质，回收酸、碱等电渗析电位差离子交换膜分离离子，用于回收酸、碱，苦咸水淡化反渗透压力差反渗透膜分离小分子溶质，用于海水淡化、去除无机离子或有机物超滤压力差超过滤膜截留分子量大于500的大分子，去除粘土、植物质、油漆、微生物等概述膜分离技术的共同优点是：常温下操作，不消耗热能，无相变化，无相变能耗，设备简单，易操作，无化学药剂消耗，分离与浓缩同时进行，有利回收；缺点是处理能力小，需消耗相当的能量。膜析法的作用途径：1、依靠薄膜中孔道的大小分离不同尺度的分子或粒子；2、依靠薄膜的离子结构分离性质不同的离子；3、依靠薄膜有选择的透过性分离某些物质。扩散渗析法利用渗析膜将浓度不同的溶液分开，溶质即从浓度高的一侧透过半透膜而扩散到浓度低的一侧，当膜两侧的浓度达到平衡时，渗析过程停止。扩散渗析主要用于酸、碱的回收，回收率可达70~90%，但不能将它们浓缩。例：扩散渗析法从含H2SO4、FeSO4的废水中回收酸（如图11-3-1所示）电渗析法一、原理在直流电场的作用下，利用离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性（阴膜只允许阴离子通过，阳膜只允许阳离子通过）而使溶液中的溶质与水分离的方法。电渗析系统由一系列阴、阳膜置放于两电极之间组成，如图11-3-2。离子减少的隔室称为淡室，出水为淡水；离子增多的室称为浓室，出水为浓水；与电极板接触的隔室称极室，出水为极水。电渗析法影响电渗析的因素有浓差极化、结垢、腐蚀等。浓差极化：由于电流强度过大，使膜附近与水流主体之间产生浓度差。由于水流主体内的离子来不及补充到膜表面水层，因而膜表面水层发生电离，使阴膜浓室的Ph升高，产生结垢现象，此即浓差极化。防止浓差极化的方法有极限电流法、倒换电极法、定期酸洗法、增加水流主体紊动程度等方法。电渗析法二、应用1、从酸洗废液中回收酸和铁（见图11-3-3）2、从芒硝废液中回收硫酸和氢氧化钠（见图11-3-4）3、从镀镍废液中回收镍（见图11-3-5）反渗透一、渗透与反渗透1、渗透一种膜只允许溶剂通过而不允许溶质通过，用这种膜将盐和水、淡水或两种浓度不同的溶液隔开，则可发现水将从淡水侧或浓度低的一侧通过膜自动渗透到盐水或浓度高的一侧，直至达到平衡时为止，这种现象为渗透作用。渗透平衡时，溶液两侧液面的静水压差称为渗透压。（见图11-3-6所示）反渗透2、反渗透若在盐水一侧施加大于渗透压的压力，则盐水中的水就会流向淡水侧，此种现象称为反渗透。二、反渗透膜常用的反渗透膜有两种——CA膜和中空纤维膜CA膜——成膜材料为醋酸纤维素中空纤维膜——以