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污物吸附公式.ppt

花匠小妙招
2025-06-26 21:31

1、第七章吸附第一节吸附的基本理论一吸附机理及分类引起吸附的主要原因 1 溶质对水的疏水特性和溶质对固体颗粒的高度亲合力 2 溶质与吸附剂之间的静电引力范德华引力或化学键力吸附的分类 1 交换吸附溶质的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表面的带电点上并置换出原先固定在这些带电点上的其他离子 2 物理吸附溶质与吸附剂之间由于范德华力而产生的吸附 3 化学吸附溶质与吸附剂发生化学反应形成牢固的吸附化学键和表面络合物二吸附平衡与吸附等温式吸附过程中固液两相经过充分的接触后最终将达到吸附与脱附的动态平衡达到平衡时单位吸附剂所吸附的物质的数量称为平衡吸附量常用qe mg g

2、表示将平衡吸附量qe与相应的平衡浓度ce作图得吸附等温线 I型的特征是吸附量有一极限值可以理解为吸附剂的所有表两都发生单分子层吸附达到饱和时吸附量趋于定值型是非常普通的物理吸附相当于多分子层吸附吸附质的极限值对应于物质的溶解度型相当少见其特征是吸附热等于或小于纯吸附质的溶解热型及型反映了毛细管冷凝现象和孔容的限制由于在达到饱和浓度之前吸附就达到平衡因而显出滞后效应 1 Langmuir等温式 Langmuir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在吸附剂表面上的各个吸附点间没有吸附质转移运动达动态平衡

3、状态时吸附和脱附速度相等式中qe 平衡吸附量ce 液相平衡浓度a 与最大吸附量有关的常数 b 与吸附能有关的常数 2 B E T 等温式B E T 模型假定在原先被吸附的分子上面仍可吸附另外的分子同发生多分子层吸附而且不一定等第一层吸满后再吸附第二层对每一单层却可用Langmuir式描述第一层吸附是靠吸附剂与吸附质间的分子引力而第二层以后是靠吸附质分子间的引力这两类引力不同因此它们的吸附热也不同总吸附量等于各层吸附量之和由此导出的二常数B E T 等温式为式中cs 吸附质的饱和浓度 B 常数与吸附剂和吸附质的相互作用能有关 3 Freundlich等温式此为指数函数型

4、式的经验公式式中 K称为Freundlich吸附系数 n为常数通常大于1 Freundlich式在一般的浓度范围内与Langmuir式比较接近但在高浓度时不像后者那样趋于一定值在低浓度时也不会还原为直线关系 4 多级分体系的吸附等温式多组分体系吸附和单组分吸附相比较又增加了吸附质之间的相互作用计算吸附量时可用两类方法用COD或TOC综合表示溶解于废水中的有机物浓度其吸附等温式可用单组分吸附多温式表东但吸附等温线可能是曲线或折线假定吸附剂表面均一混合溶液中的各种溶质在吸附位置上发生竞争吸附被吸附的分子之间的相互作用可忽略不计如果各种溶质以单组分体系的形式进行吸附则其

5、吸附量可用Langmuir竞争吸附模型来计算三影响吸附的因素一吸附剂结构1 比表面积单位重量吸附剂的表面积称为比表面积吸附剂的粒径越小或是微孔越发达其比表面积越大吸附剂的比表面积越大则吸附能越强图7 5表明苯酚吸附量与吸附剂的比表面积之间的关系 2 孔结构吸附剂的孔结构如图7 6所示吸附剂内孔的大小和分布对吸附性能影响很大孔径太大比表面积小吸附能力差孔径太小则不利于吸附质扩散并对直径较大的分子起屏蔽作用通常将孔半径大于0 1 m的称为大孔 2 10 3 0 1 m的称为过渡孔而小于2 10 3的称为微孔大部分吸附表面积由微孔提供采用不同的原料和活化

6、工艺制备的吸附剂其孔径分布是不同的再生情况也影响孔的结构分子筛因其孔径分布十分均匀而对某些特定大小的分子具有很高的选择吸附性 3 表面化学性质吸附剂在制造过程中会形成一定量的不均匀表面氧化物其成分和数量随原料和活化工艺不同而异一般把表面氧化物分成酸性的和碱性的两大类经常指的酸性氧化物基因有羧基酚羟基醌型羰基正内酯基萤光型内酯基羧酸酐基及环式过氧基等酸性氧化物在低温 500 活化时形成对于碱性氧化物的说法尚有分歧碱性氧化物在高温 800 1000 活化时形成在溶液中吸附酸性物表面氧化物成为选择性的吸附中心使吸附剂只有类似化学吸附的能力一般说来有助于对极性

7、分子的吸附削弱对非极性分子的吸附二吸附质的性质对于一定的吸附剂由于吸附质性质的差异吸附效果也不一样通常有机物在水中的溶解度随着链长的增长而减小而活性炭的吸附容量却随着有机物在水中溶解度减少而增加也即吸附量随有机物分子量的增大而增加活性炭处理废水时对芳香族化合物的吸附效较脂肪族化合物好不饱和链有机物较饱和链有机物好非极性或极性小的吸附质较极性强吸附质好应当指出实际体系的吸附质往往不是单一的它们之间可以互相促进干扰或互不相干三操作条件吸附是放热过程低温有利于吸附升温有利于脱附溶液的pH值影响到溶质的存在状态分子离子络合物也影响到吸附剂表面的电荷

8、特性和化学特性进而影响到吸附效果国内用太原8 炭吸附Cd CN络合物的试验结果如图7 7所示由图可见在PH7 5 9 5的范围内吸附去除率较高在吸附操作中应保证吸附剂与吸附质有足够的接触时间另外吸附剂的脱附再生溶液的组成和浓度及其他因素也影响吸附效果四吸附动力学 1 水膜内的物质迁移速度由Fick定律水膜内的传质速度NA由下式结出 7 12 式中D 溶质在水膜中的扩散系数 m2 L 水膜厚度 m kf 水膜传质系数 m L c 水中溶质的浓度 kg m3 ci 颗粒表面的溶质浓度 kg m3 固定床填充层单位容积的吸附速度为 7 13 式中 b 填充层的表现密度 kg

9、 m3 av 填充层单位容积的颗粒外表面积 m2 m3 关于传质系数kf 曾提出了各种实验公式如Carberry公式为式中u 一空塔水流速度 m h 填充层的孔隙率水溶液的动力粘滞系数 kgF m h 水溶液密度 kg m3 dp 吸附剂粒径 m 7 14 2 内孔扩散速度多孔性物质内部的扩散现象极为复杂受到细孔扩散和细孔壁表面扩散两方面的影响但类似于分子扩散均以扩散物质的浓度梯度作为推动力其中通过细孔内液相向颗粒内部扩散的速度为 7 15 式中NP 细孔内的扩散速度 kg m2 h DP 一细孔内有效扩散系数 m2 h c 细孔内溶液浓度 kg m3 r 扩散方向的距离 m 细

10、孔壁上的表面扩散以吸附量梯度为推动力沿表面从吸附量大处向小处作二维移动表面扩散系数与吸附质分子的大小温度吸附质与吸附剂之间的结合能有关其速度为 7 16 式中Ns 一表面扩散系数 kg m2 h a 一吸附剂的表观密度 kg m3 Ds 一表面扩散系数 m2 h 颗粒内总扩散速度为武 7 15 与 7 16 之和即 7 17 假定在细孔内某一位置处表面吸附量与溶液浓度之间呈平衡状态则有 7 18 将上式代入式 7 17 得 7 19 式中Di是以溶液浓度为基准的颗粒内有效扩散系数 m2 h 在溶质浓度很高吸附前后浓度变化不大的条件下 Boyd导出以下近似式估计颗粒内有效扩散系数

11、和吸附速度 7 20 3 吸附速度的测定吸附速度的测定装置如图7 8所示将200目以下的一定量的吸附剂加入反应瓶A中一边搅拌一边从B处注入被吸附溶液经过一段时间接触后每隔一定时间取一次悬浮液进入C内使吸附剂与溶液立即分离测定液相溶质浓度求出吸附量和去除率从而确定吸附速度第二节吸附剂及其再生一吸附剂工业吸附剂必须满足下列要求吸附能力强吸附选择性好吸附平衡浓度低容易再生和再利用机械强度好化学性质稳定来源广价廉一般工业吸附剂难于同时满足这八个方面的要求因此应根据不同的场合选用目前在废水处理中应用的吸附剂有活性炭活化煤白土硅藻土活性氧化铝焦炭

12、树脂吸附剂炉渣木屑煤灰腐殖酸等 l 活性炭活性炭是一种非极性吸附剂外观为暗黑色有粒状和粉状两种目前工业上大量采用的是粒状活性炭活性炭主要成分除碳以外还含有少量的氧氢硫等元素以及水分灰分它具有良好的吸附性能和稳定的化学性质可以耐强酸强碱能经受水浸高温高压作用不易破碎活性炭具有巨大的比表面和特别发达的微孔通常活性炭的比表面积高达500 1700m2 g 这是活性炭吸附能力强吸附容量大的主要原因活性炭的吸附以物理吸附为主但由于表面氧化物存在也进行一些化学选择性吸附如果在活性炭中掺入一些具有催化作用的金属离子可以改善处理效果 2 树脂吸附剂树

13、脂吸附剂也叫做吸附树脂是一种新型有机吸附剂具有立体网状结构呈多孔海绵状加热不熔化可在150 下使用不溶于一般溶剂及酸碱比表面积可达800m2 g 常见产品有美国AmberliteXAD系列日本HP系列国内一些单位也研制了性能优良的大孔吸附树脂树脂吸附剂的结构容易人为控制因而它具有适应性大应用范围广吸附选择性特殊稳定性高等优点并且再生简单多数为溶剂再生树脂吸附剂最适宜于吸附处理废水中微溶于水极易溶于甲醇丙酮等有机溶剂分子量略大和是极性的有机物如脱酚除油脱色等树脂的吸附能力一般随吸附质亲油性的增强而增大 3 腐植酸系吸附剂腐植酸类物质可用于处理工

14、业废水尤其是重金属废水及放射性废水除去其中的离子一般认为腐植酸是一组芳香结构的性质相似的酸性物质的复合混合物腐植酸对阳离子的吸附既有化学吸附又有物理吸附用作吸附剂的腐植酸类物质有两大类一类是天然的富含腐植酸的风化煤泥煤褐煤等直接作吸附剂用或经简单处理后作吸附剂用另一类是把富含腐植酸的物质用适当的粘结剂作成腐植酸系树脂造粒成型以使用于管式或塔式吸附装置腐植酸类物质吸附重金属离子后容易脱附再生常用的再生剂有1 2N的H2SO4 HCl NaCl CaCl2等二吸附剂再生吸附剂在达到饱和吸附后必须进行脱附再生才能重复使用脱附是吸附的逆过程即在吸附剂结

15、构不变化或者变化极小的情况下用某种方法将吸附质从吸附剂孔隙中除去恢复它的吸附能力通过再生使用可以降低处理成本减少废渣排放同时回收吸附质目前吸附剂的再生方法有加热再生药剂再生化学氧化再生湿式氧化再生生物再生等重要方法的分类如表7 2所示在选择再生方法时主要考虑三方面的因素吸附质的理化性质吸附机理吸附质的回收价值表7 2吸附剂再生方法第三节吸附工艺与设计一间歇吸附间歇吸附反应池有两种类型一种是搅拌池型即是在整个池内进行快速搅拌使吸附剂与原水充分混合另一种是泥渣接触型池型与操作和循环澄清池相同运行时池内可保持较高浓度的吸附剂对原水浓度和流量变化

16、的缓冲作用大不需要频繁地调整吸附剂的投量并能得到稳定的处理效果当用于废水深度处理时泥渣接触型的吸附量比搅拌池型增加30 为防止粉状吸附剂随处理水流失固液分离时常加高分子絮凝剂 1 多级平流吸附如图7 9所示原水经过n级搅拌反应池得到吸附处理而且各池都补充新吸附剂当废水量小时可在一个池中完成多级平流吸附第i级的物料衡算式式中Wi 供应第i级的吸附剂量 kg h Q 废水流量 m3 h q0 qi 分别为新吸附剂和离开第i级吸附剂的吸附量 kg kg ci 1 ci 分别为第i级进水和出水浓度 kg m3 若q0 0 则式 7 21 变为 7 21 7 22 若已知吸附平衡关

17、系qi f ci 则可与式 7 22 联立逐级计算出最小投炭量Wi 按图7 9 由式 7 22 得同理经n级吸附后 7 23 7 24 7 25 当各级投炭量相同时即W1 W2 Wn W 则若令qm为各级吸附量的平均值则 7 27 7 26 7 28 由此可得将c0降至cn所需的吸附级数n和吸附剂总量G 7 30 7 29 2 多级逆流吸附由吸附平衡关系知吸附剂的吸附量与溶质浓度呈平衡溶质浓度越高平衡吸附量就越大因此为了使出水中的杂质最少应使新鲜吸附剂与之接触为了充分利用吸附剂的吸附能力又应使接近饱和的吸附剂与高浓度进水接触利用这一原理的吸附操作即是多级逆流吸附

18、如图7 10所示经n级逆流吸附的总物料衡算式为 7 34 对二级逆流吸附设各级吸附等温式可用Freundlich式表示即且则可推得 7 35 对n级逆流吸附如果则有以下近似公式二固定床吸附在废水处理中常用固定床吸附装置其构造与快滤池大致相同吸附剂填充在装置内吸附时固定不动水流穿过吸附剂层根据水流方向可分为升流式和降流式两种降流式固定床吸附出水水质好但水头损失较大特别在处理含悬浮物较多的污水时需定期进行反冲洗有时还需在吸附剂层上部设表面冲洗设备 1 穿透曲线 1 吸附带指正在发生吸附作用的那段填充层在吸附带下部的填充层几乎没有发生吸附作用而在吸附带上部

19、的填充层已达到饱和状态不再起吸附作用 2 穿透曲线以吸附时间或吸附柱出水总体积为横坐标以出水吸附质浓度为纵坐标所绘制出的曲线 3 穿透点当出水吸附质浓度Ca为 0 05 0 10 Co时所对应的出水总体积或吸附时间的穿透曲线上的那一点 4 吸附终点出水浓度Cb为 0 90 0 95 Co时所对应的出水总体积的穿透曲线上的那一点叫吸附终点 5 吸附带长度从ta到tb的 t时间内吸附带所移动的距离当废水连续通过吸附剂层时运行初期出水中溶质几乎为零随着时间的推移上层吸附剂达到饱和床层中发挥吸附作用的区域向下移动吸附区前面的床层尚未起作用出水中溶质浓度仍然很低当吸附区前沿

20、下移至吸附剂层底端时出水浓度开始超过规定值以后出水浓度迅速增加当吸附区后端面下移到床层底端时整个床层接近饱和以水浓度接近进水浓度三移动床吸附原水从下而上流过吸附层吸附剂由上而下间歇或连续移动间歇移动床处理规模大时每天从塔底定时卸炭1 2次每次卸炭量为塔内总炭量的5 10 移动床较固定床能充分利用床层吸附容量出水水质良好且水头损失较小由于原水从塔底进入水中夹带的悬浮物随饱和炭排出因而不需要反冲洗设备对原水预处理要求较低操作管理方便目前较大规模废水处理时多采用这种操作方式四流化床吸附原水由底部升流式通过床层吸附剂由上部向下移动由于吸附剂保持流化状态

21、与水的接触面积增大因此设备小而生产能力大基建费用低流化床操作控制要求高为防止吸附剂全塔混层以充分利用吸附容量并保证处理效果塔内吸附剂采用分层流化所需层数根据吸附剂的静活性原水水质水量等决定第四节吸附法的应用在废水处理中吸附法处理的主要对象是废水中用生化法难于降解的有机物或用一般氧化法难于氧化的溶解性有机物包括木质素氯或硝基取代的芳烃化合物杂环化合物洗涤剂合成染料除莠剂 DDT等当用活性炭对这类废水进行处理时它不但能够吸附这些难分解的有机物降低COD 还能使废水脱色脱臭把废水处理到可重复利用的程度所以吸附法在废水的深度处理中得到了广泛的应用在处理流程上吸附法可与其他物理化学法联合组成所谓物化流程也可与生化法联合如向曝气池投加粉状活性炭利用粒状吸附剂作为微生物的生长载体或作为生物流化床的介质或在生物处理之后进行吸附深度处理等表7 4部分工业废水吸附处理实例