廢水的物化處理方法

—吸附法

adsorption學習內容1.吸附法概述2.吸附原理3.吸附劑4.吸附工藝過程及設備5.吸附劑的再生6.吸附法在廢水處理中的應用1.1吸附的定義在相界面上，物質的濃度自動發生累積或濃集的現象。或者某種物質(離子或分子)在另一種物質表面或微孔內積聚的現象。

廢水中的吸附是發生在固—液界面上的吸附：a.吸附劑：具有吸附能力的多孔性固體物質。

特點：多孔固體，比表面積大。

b.吸附質：廢水中被吸附的物質。1.吸附法概述1.吸附法概述1.2吸附法功能-----去除水中溶解態微量污染物。(有機物,膠體粒子,重金屬離子,放射性元素,微生物,余氯,臭味,色度等)1.3吸附法的特點a.深度處理b.可回收有用物料c.進水預處理要求高d.運轉費用貴2.吸附原理2.1吸附的分類與機理物理吸附靠分子間力產生的吸附化學吸附由化學鍵力引起的吸附交換吸附正負電荷間靜電引力引起沒有選擇性多分子層吸附有選擇性單分子層吸附吸附劑的比表面積和細孔分布影響大表面化學性質和化學性質影響大吸附往往幾種吸附綜合作用的結果，可能存在以某種吸附為主。2.2吸附平衡與吸附等溫式2.2.1基本定義1.吸附量q(g/g)

衡量吸附劑吸附能力的大小，達到吸附平衡時，單位重量的吸附劑（g）所吸附的吸附質的重量（g）。式中：V—廢水容積；W—吸附劑用量，g;C0—廢水吸附質濃度（g/L）;

C—吸附平衡時水中剩余的吸附質濃度(g/L).2.吸附平衡當吸附質的吸附速率=解吸速率（即V吸附=V解吸），即在單位時間內吸附數量等于解吸的數量，則吸附質在溶液中的濃度C與在吸附劑表面上的濃度都不再變時，即達到吸附平衡，此時吸附質在溶液的濃度C叫平衡濃度。3.平衡吸附量：達到平衡時，單位吸附劑所吸附的物質的數量（mg/g）。

q

e=V(C0-Ce)/W

式中V——溶液體積，L；

C0，Ce——

分別為溶質的初始和平衡濃度，mg/L；

W——吸附劑量，g.4.吸附等溫線等溫吸附規律--在一定T下，吸附量q與溶液濃度C之間的關系.吸附等溫式----表達等溫吸附規律關系的數學式.吸附等溫線—根據等溫吸附規律關系繪制出的垂線圖。2.2.2吸附平衡與吸附等溫式1、Langmuir朗格繆爾等溫式Langmuir假設：（1）吸附劑表面均一，各處的吸附能相同；（2）吸附是單分子層的，當吸附劑表面為吸附質飽和時，其吸附量達到最大值。（3）被吸附分子之間沒有作用力。取倒數2、Freundlich弗勞德利希吸附等溫式

qe=KCe1/nK——Freundlich吸附常數;Ce——平衡濃度，mg/L。n——常數，通常n>1.1/n越小，吸附性能越好;1/n=0.1-0.5，容易吸附；1/n>2，則難吸附。1/n較大則采用連續吸附，反之采用間歇吸附。

假定發生多分子層吸附。第一層吸附是靠吸附劑與吸附質間的分子引力，而第二層以后是靠吸附質分子間的引力。總吸附量等于各層吸附量之和:3、B.E.T等溫式移項,取倒數

取倒數：

BET公式包括了朗謬爾公式：設

，且C<<Cs，則BET公式可寫成：令a=1/m，b=qo

……朗謬爾式

BET公式可以適應更廣泛的吸附現象。※吸附量q是選擇吸附劑和吸附設備的重要參數，q決定吸附劑再生周期的長短，q越大，再生周期越長，再生劑用量及其費用越小。q通過吸附試驗來確定。

由吸附平衡、吸附容量確定吸附劑的用量；選擇最佳的吸附劑；吸附劑的最佳吸附條件；不同吸附劑的吸附特性對比；混合吸附質的競爭吸附比較。吸附模型的工程意義由圖可見，Langmuir吸附等溫式大體上適用。qe=Kce1/n由圖可見，Freundlich吸附等溫式也適用。

2.3.1吸附速度----單位重量吸附劑在單位時間內所吸附的物質量,單位g/g.min.

式中q—吸附量,g/g;t--吸附時間,min.吸附速度V決定了廢水和吸附劑的接觸時間，V越大，則接觸時間越短，所需設備容積就越小，反之亦然。2.3吸附動力學

2.3.2吸附過程一般分為3個階段：

1.顆粒外部擴散:吸附質從溶液中擴散到吸附劑表面(膜擴散)

2.孔隙擴散:吸附質在孔隙內擴散

3.吸附反應：吸附質在吸附劑內表面上發生吸附在一般情況下，吸附過程開始時往往由膜擴散控制，而在吸附接近終了時，內擴散起決定作用。1.顆粒外部擴散速度（液膜擴散）,U=f(c、d、攪動)溶液濃度C↑，則U↑顆粒直徑d↓，則U↑加強攪動，則U↑2.孔隙擴散速度,V=f（細孔大小與構造，吸附質的d）吸附劑顆粒直徑d↓，V↑。

思考：粉末狀活性碳和粒狀哪個速度快？d的大小對內、外部擴散都有很大影響。所以，粉末狀活性炭比粒狀活性炭的吸附速度要快，接觸時間短，設備容積小。

(1)吸附劑的種類:極性型，非極性型（物以類聚）(2)顆粒大小:(3)比表面積:(4)顆粒的細孔構造與分布:(5)表面化學性質:表面含氧官能團的性質－COOH、－OH等,有助于對極性分子的吸附2.3.3吸附的影響因素物理性質化學性質1.吸附劑的性質：

2.吸附質的性質：（1）溶解度——越低越容易吸附。（2）濃度——吸附質的濃度較低時，提高C可增加吸附量。以后C↑，q增加很小，直至為一定值。（3）吸附質分子的大小和不飽和度。活性炭：易吸附分子直徑較大的飽和化合物合成沸石：易吸附分子直徑小的不飽和化合物3.操作條件的影響(1)廢水的pH值----影響到溶質的存在狀態(分子、離子、絡合物），也影響到吸附劑表面的電荷特性和化學特性，進而影響到吸附效果。例如:活性炭一般在酸性溶液中比在堿性溶液中吸附效果較好。(2)共存物質----對于物理吸附，共存多種物質時的吸附比單一物質時的吸附要差。(3)溫度----吸附是放熱過程，低溫有利于吸附，升溫有利于解吸。(4)接觸時間---應保證吸附達到平衡時的時間，而該時間的大小取決于吸附速度V，V大則所需時間短。3吸附劑3.2、重要吸附劑

活性炭、活性炭纖維；

吸附樹脂；

特殊吸附劑：活性氧化鋁、硅膠、沸石分子篩；

其它吸附劑：褐煤、煤灰、煤灰渣等。3.1、吸附劑選擇原則

性能好：吸附量高，吸附速度快。再生效果好物化性能好價廉、來源廣3.2.1活性炭（1）組成結構：由含碳材料制成的外觀呈黑色，內部孔隙結構發達、比表面積大、吸附能力強的一類微晶質碳素材料。（2）分類：粉末—吸附能力強，制備易，成本低，再生難；顆粒—成本高，可再生按習慣分：微孔<150nm中孔150-20000nm大孔>20000nm。

活性炭材料中有大量肉眼看不見的微孔，1克活性炭材料中微孔的總內表面積可高達700－2300平方米，也就是說，在一個米粒大小的活性炭顆粒中，微孔的內表面積相當于一個大客廳內墻面的大小。

（3）特點吸附容量大，性能穩定，抗腐蝕，在高溫解吸時結構熱穩定性好，解吸容易，可反復使用。（4）應用一般情況下，對廢水中以BOD、COD等綜合指標表示的有機物，如合成染料、表面性劑、酚類、苯類、有機氯、農藥和石油化工產品等，都有獨特的去除能力。所以，活性炭吸附法已逐步成為工業廢水二級或三級處理的主要方法之一。

空氣凈化、農業等領域。3.3.2樹脂吸附劑1.結構：立體結構的多孔海綿狀物，不溶于酸堿及一般溶液，表面積大。2.分類：非極性，弱極性，極性，強極性。3.特點：價高，穩定性高，選擇性強，應用范圍廣。強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂3.3.3腐植酸類吸附劑1.組成—芳香結構的,性質與酸性物質相似的復雜混合物。含活性基團，屬于陽離子吸附劑。外觀為黑色粉狀、顆粒。溶于水，呈堿性，含有羥基、羧酸鹽等活性基團。

2.吸附對象—金屬離子。pH范圍，機械強度等原因，處于研究階段。3.3.4活性氧化鋁組成：Al2O3水合物的無定形凝膠和氫氧化物晶體構成的多空剛性骨架結構物質。特點：無毒，穩定，在水中不溶脹、軟化或崩碎破裂，抗沖擊和耐磨損能力強。吸附極性分子的吸附劑。

3.3.5天然礦物質：活性白土、漂白土、硅藻土等含有SiO2、Al2O3、等。3.3.6沸石分子篩：結晶鋁硅酸金屬鹽的水合物，其化學通式為：Mx/m[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O。M代表陽離子，m表示其價態數，z表示水合數，x和y是整數。沸石分子篩活化后，水分子被除去，余下的原子形成籠形結構。分子篩晶體中有許多一定大小的空穴，空穴之間有許多同直徑的孔（也稱“窗口”）相連。由于分子篩能將比其孔徑小的分子吸附到空穴內部，而把比孔徑大的分子排斥在其空穴外，起到篩分分子的作用，故得名分子篩。1.吸附的工藝過程吸附劑與廢水接觸吸附吸附劑與廢水分離吸附劑的再生或更新2.運轉方式一般可分為間歇與連續兩種。4.吸附工藝過程及設備

采用兩個固定床裝置并聯，使用一個時，則另一個備用。（1）固定床動態吸附

在移動床中吸附劑不斷移動，流進流出，不斷再生補充。（2）移動床吸附

吸附劑在塔內處于膨脹狀態，懸浮于由下而上的水流中，膨脹床的吸附率高，適于處理懸浮物含量較高的廢水。（3）流化床吸附3.吸附操作方式操作難，很少用4.吸附工藝過程及設備4.1吸附的操作吸附塔1.固定床--吸附劑固定在吸附柱（塔）中。

（1）分類①按水流方向又可分：升流式與降流式。

降流式：水流由上至下，濾速4～20m/h,吸附劑厚3～5m，時間為30～60min，

適用于懸浮物少的廢水，懸浮物多則易堵塞。

升流式：水流由下至上，濾速小，不短路。②連接方式：單床式、多床串聯式、多床并聯式。

2.移動床—廢水底部進入，處理水頂部排出。定期從低部排出飽和吸附劑，從塔頂補充新鮮吸附劑。

3.流化床—廢水有底部進入，吸附劑在塔內處于膨脹狀態。流化床活性炭吸附設備的形態名稱概要型態接觸時間設備費設備面積壽命接觸過濾粉狀活性碳直接投入絮凝沉淀池，攪拌同時吸附，吸附之后活性炭固液分離。粉狀長便宜--一次性固定床填充粒狀活性碳於塔或槽內，其水流方向有向上流及向下流等分類。粒狀短~長比較高比較廣長期流化床水以加壓向上流，活性碳自塔之上部連續投入，自下部排出。粒狀短~長比較高可較小長4.2固定床吸附柱的工作規律—穿透曲線1.穿透曲線---以吸附時間或吸附柱出水總體積為橫坐標，以出水吸附質濃度為縱坐標所繪制出的曲線叫穿透曲線。4.2固定床吸附柱的工作規律—穿透曲線2.吸附帶：指正在發生吸附作用的那段填充層，在吸附帶下部的填充層幾乎沒有發生吸附作用，而在吸附帶上部的填充層已達到飽和狀態，不再起吸附作用。4.2固定床吸附柱的工作規律—穿透曲線3.穿透點：當出水吸附質濃度Ca為(0.05-0.10)Co，（即出水開始出現污染物）時，所對應的出水總體積或吸附時間的穿透曲線上的那一點叫穿透點。4.2固定床吸附柱的工作規律—穿透曲線4.

吸附終點（耗竭點）--出水濃度Cb為(0.90-0.95)Co（吸附劑全部喪失吸附能力）時，所對應的出水總體積的穿透曲線上的點。1.穿透曲線---以吸附時間或吸附柱出水總體積為橫坐標，以出水吸附質濃度為縱坐標所繪制出的曲線叫穿透曲線。2.吸附帶：指正在發生吸附作用的那段填充層，在吸附帶下部的填充層幾乎沒有發生吸附作用，而在吸附帶上部的填充層已達到飽和狀態，不再起吸附作用。3.穿透點：當出水吸附質濃度Ca為(0.05~0.10)Co，（即出水開始出現污染物）時，所對應的出水總體積或吸附時間的穿透曲線上的那一點叫穿透點。4.

吸附終點（耗竭點）--出水濃度Cb為(0.90~0.95)Co（吸附劑全部喪失吸附能力）時，所對應的出水總體積的穿透曲線上的點。5.吸附帶長度δ：實際發揮吸附作用的吸附劑層高度。6.吸附帶的移動速度：V吸附帶=δ/△t（2-10m/h）

思考：吸附柱何時停止工作？此時吸附劑效率如何？如何提高吸附劑效率？

采用多床串聯操作I—II—III串聯運行；II—III—Ⅳ串聯運行III—Ⅳ—I串聯運行。

4.3吸附劑及其再生1、加熱再生法在高溫條件下，提高了吸附質分子的能量，使其易于從活性炭的活性點脫離；而吸附的有機物則在高溫下氧化和分解，成為氣態逸出或斷裂成低分子。（1）原理

高溫下，吸附質分子振動，從吸附劑表面活性點脫附下來。高溫下，有機物分子成氣態分子逸出或成短鏈有機物。（2）再生過程脫水、干燥(100-150℃)、炭化(300-00℃)、活化(700-1000℃)。

（3）再生設備

立式多段再生爐、旋轉再生爐。

（1）原理吸附質與熔劑的親和力大于與吸附劑的親和力。（2）常用再生劑酸堿類、有機溶劑。吸附的酚、醋酸可用氫氧化鈉再生。吸附的DDT可用異丙醇再生。2、溶劑再生3、其它再生方法

氧化法、生物法等4.4吸附工藝設計4.4.1、設計(一)工藝過程廢水預處理吸附排放靜態吸附動態吸附間歇式操作廢水和吸附劑在相對運動過程中完成吸附固定床、流化床、移動床去除廢水中影響吸附的雜質:懸浮物、油類、膠體混凝、沉淀、過濾動態實驗串聯級數吸附周期通水倍數m3/kg空塔流速v接觸時間t=h/v設備規模投資及運行費用靜態實驗水質條件吸附時間飽和吸附量單位廢水吸附劑用量；

二

、設計參數的來源1借鑒同類設計參數

2進行吸附實驗

吸附實驗最佳吸附劑選擇吸附類型確定提供設計參數（1）、靜態吸附試驗表中：m1

＜m2＜m3＜······mnx/mρe吸附類型飽和吸附量（2）動態吸附實驗(一)實驗過程(二)吸附容量

q過程中發生吸附的區域(三)吸附帶

(2)吸附帶推進速度S

式中：Q進水量；C0進水濃度dB填充密度B截面積

(1)吸附帶飽和分數f

吸附帶中已吸附污染物吸附劑所占百分數

(3)吸附帶高度

(4)q動、q靜與吸附層高度H的關系

1吸附塔

塔徑1.0～3.5m；填充高度3.0～10m；填充層與塔徑比1～4。

2控制條件

容積速度：固定床<2m3/m3·h；移動床<5m3/m3·h以下。

空塔流(線)速：固定床2.0～10.0m/h；移動床10.0～30.0m/h。

接觸時間：10~50min(二)工藝設計

3連續吸附串聯級數的確定

穿透曲線計算;

公式:

例題例題:

進水總有機碳為：100mg/L；出水容許濃度為：20mg/L；活性炭容重為：401g/L；柱中碳體積為1L。

求：

(1)吸附總有機碳量:終點Cb=90%C0,出水4300L