水处理工程吸附7.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,水 处 理 工 程,第七章 吸附,吸附的基本理论,吸附剂及其再生,吸附工艺与设计,吸附法的应用,水 处 理 工 程,固体表面的分子或原子因受力不均衡而具有剩余的表面能，当某些物质碰撞固体表面时，受到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上，这就是吸附。这里的固体称吸附剂。被固体吸附的物质称吸附质。吸附的结果是吸附质在吸附剂上浓集，吸附剂的表面能降低。,在水处理领域，吸附法主要用以脱除水中的微量污染物，应用范围包括脱色，除臭味，脱除重金属、各种溶解性有机物、放射性元素等。在处理流程中，吸附法可作为离子交换、膜分离等方法的预处理，以去除有机物、胶体物及余氯等，也可以作为二级处理后的深度处理手段，以保证回用水的质量。,第一节吸附的基本理论,一、吸附的机理和分类,1.原理：,一种物质自动地向另外一种物质表面转移，最后吸附在另一种物质表面的过程，叫吸附；涉及到相界面的一种反应过程；,吸附发生在：气液界面、气固界面、液固界面（主要针对这一方面，将固体物质叫吸附剂，液体叫吸附质）,吸附发生的原因：表面分子受到净的向内的拉力而具有较高的能量，它力图吸引其它物质分子使之富集于表面上以降低物系的能量；,溶质的疏水特性和溶质对固体颗粒的高度亲和力,静电吸引力，范德华力或化学键力,2.分类,按作用力分三类,物理吸附,：基于分子引力，分子间作用力，吸附热小,特征：吸附时表面能降低，所以是放热反应；吸附比较没有选择性；不发生化学反应，不需要活化能，低温就能进行；吸附质在吸附剂表面自由转移，易解吸。,化学吸附：,化学键力作用，产生化学反应，如石灰吸附CO,2,，,产生单分子层吸附，吸附一般不可逆,离子交换吸附,：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。,实际水处理中，上述三种可能并存，但可能一种占主导,二、吸附平衡及吸附等温式,1.吸附平衡,吸附速度解析速度动态平衡,吸附能力,q,e,单位吸附剂所吸附的物质的数量为平衡吸附量。,计算,常用吸附等温线有三种类型：在温度一定的条件下，如V、C,0,一定，改变投炭量，则发现水中剩余的溶质浓度C及q也随之改变-说明,吸附量与剩余浓度不是线性关系,2.吸附等温式计算及应用,Langmuir等温式,假设条件：,吸附剂表面均一，各处的吸附能相同；,吸附是单分子层，吸附剂表面饱和时，吸附量最大；,表面上没有吸附质转移运动；,平衡时吸附速度脱附速度,平衡吸附量q,e,与液相平衡浓度c,e,的关系为：,计算过程：,型,C,e,没有极限值，但,q,e,却有一个极限值,Langmuir,型；,型,C,e,有一个极限值,C,s,，,称为饱和浓度，但,q,e,却没有极限值，,BET,型；,型,C,e,与对等的,q,e,都没有极限值，,Freundlich,型；,q,e,c,e,q,e,c,e,q,e,c,e,c,s,c,s,值估计偏低,c,s,值估计偏高,(,b)BET,模型,需要知道饱和浓度,C,S,的值,数据足够可以以此作图即得直线;,对,C,S,值进行估计，估值正确才能画出一条直线来,平衡浓度很低时，可简化为,Langmuir,模式。,(,c)Freundilich,模型,Freundilich,在一般范围内与,Langmuir,式接近，但在高浓度时不像后者那样趋于定值；在低浓度时，也不会还原为直线。,对于一组吸附实验数据，究竟采用哪一公式整理，并 求出相应的常数来，只能运用数学的方式来选择。通过作图，选用画出最好的直线的哪一个公式。,都能应用的情况，选用最简单的公式,。,多组分体系的吸附等温式,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等温式表示，但吸附等温式可能成曲线或折线。,假定吸附表面均一，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，用Langmuir竞争吸附模式来计算；,三、影响吸附的因素,吸附剂本身、吸附质本身、环境条件,（一）吸附剂的结构,1.比表面积比表面积越大越好，对大分子可能不利,2.孔结构细孔的分布大、中（过渡）、微孔；大孔通道，中孔吸附大分子，观察用于水处理并被饱和的活性炭细孔分布与新鲜活性炭对比，微孔大量减少，此部分吸附起支配作用。,水处理工程理论与应用日井出哲夫,建筑工业出版社,3.表面化学性质表面氧化物酸、碱两类,低温活化(500)的碳可以生成表面酸性氧化物，水解后可以放出H,+,，吸附碱金属氢氧化物,高温活化（800-1000）的碳生成表面碱性氧化物，水解后可放出OH,-,基团，吸附酸性物。,(二)吸附质的性质,溶解度活性炭是疏水性物质，低吸附增加,极性非极性和极性小的好,分子量不应太大，1000,溶质浓度-一般是浓度增加吸附量呈指数增加，也有例外,(三)操作条件,温度吸附放热，低温有利,pH-对吸附率有影响,接触时间足够的接触时间，0.51.0h,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N,A,由下式结出：,(7-12),式中,D,溶质在水膜中的扩散系数，m,2,/L；,水膜厚度，m；,k,f,水膜传质系数，m/L；,c,水中溶质的浓度，kg/m,3,；,c,i,颗粒表面的溶质浓度，kg/m,3,。,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/m,3,；,a,v,填充层单位容积的颗粒外表面积，m,2,/m,3,。,膜扩散,孔扩散,吸附,活性炭吸附过程示意,关于传质系数,k,f,，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,kg,F,/(mh)；,水溶液密度，kg/m,3,；,d,p,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,N,P,细孔内的扩散速度，kg/(m,2,.h)；,D,P,一细孔内有效扩散系数，m,2,/h；,c,-细孔内溶液浓度，kg/m,3,；,r,扩散方向的距离，m。,细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/(m,2,h)；,a,一吸附剂的表观密度,kg/m,3,；,Ds,一表面扩散系数，m,2,/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,D,i,是以溶液浓度为基准的颗粒内有效扩散系数，,m,2,/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,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；机械强渡好；化学性质稳定；来源广；价廉。,1.活性炭,多种原料制得动植物、煤、石油、纸浆废液、废合成树脂等,活化是关键：,药剂活化与ZnCl,2,、H,2,SO,4,、H,3,PO,4,等混合后，升温炭化,气体活化成型后的炭化物在高温下与CO,2,、水蒸汽、空气、及类似气体接触，利用这些气体进行碳的氧化反应，除去挥发性有机物，微孔更发达。,比表面积大，5001700m,2,/g,2.树脂吸附剂合成树酯,一种新型有机吸附剂，具有网状结构，呈多孔海绵状，加热不熔化，可在150下使用，不溶于酸、碱，比表面积达800m,2,/g。,四种类型：非极性、中极性、极性和强极性,最适宜于处理微溶于水，极易溶于甲醇、丙酮等有机溶剂，分子量略大和带极性的有机物。,3腐植酸系吸附剂,处理工业废水，重金属废水及放射性废水，除去离子,性质结构：芳香结构的、性质相似的酸性物质的复合混合物,分两大类：天然的富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐煤等；把富含腐植酸的物质用适当的粘合剂做成腐植酸树脂。,处理离子：Hg、Zn、Pb、Cu、Cd等,二、吸附剂再生,考虑吸附质的理化性质，吸附机理，吸附质的回收价值,第三节吸附工艺与设计,分间歇和连续：,间歇：搅拌吸附,连续：通过吸附床,一、间歇操作,搅拌池型：连续搅拌,泥渣接触型：类似澄清池,1.多级平流吸附,原水经过,n级搅拌反应池得到吸附处理,反应池1,原水,Q,c,0,W,1,q,1,W,1,q,0,反应池2,c,1,W,2,q,2,W,2,q,0,反应池3,c,2,W,3,q,3,W,3,q,0,Q,c,3,处理水,活性炭,过滤器,搅拌式吸附池,泥渣接触型吸附池,2.多级逆流吸附,充分利用吸附剂的吸附能力，使接近饱和的吸附剂与高浓度的进水先接触：,反应池1,原水,Q,c,0,反应池2,c,1,反应池3,c,2,Q,c,3,W,q,1,W,q,4,q,2,q,3,处理水,新炭,失效炭,经,n,级逆流吸附的总物料衡算式：,操作线方程,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,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。,h,C,0,C,1,h,C,0,C,2,h,C,0,C,3,C,0,C,4,C,0,C,5,C,E,C,B,C,3,C,4,C,5,C,0,t,B,tE,出水体积（或出流时间,）,饱和部分,吸附部分,未吸附部分,穿透曲线,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，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,思考题,：,1.活性炭为什么有吸附作用?什么物质易为活性炭吸附?什么物质难于吸附?,2.为什么说活性炭在水中的吸附过程往往是物理吸附、化学吸附、离子交换吸附的综合作用过程？,3.吸附速度受哪些因素影响？,作业题,：,1.,某化工厂每小时排出含,COD30mg/L,的废水50,m,3,先拟采用活性炭处理法，将,COD,含量降至3,mg/L,之后，作为工厂用水循环使用，静态试验在反应体积为1,L,的反应瓶中进行，废水静态试验结果如下：,另外，根据炭柱试验，求出了吸附带 厚度为1.04米，要求:,(1)绘制吸附等温线，并求出表示溶液浓度和吸附量之间关系的计算式。,（2）,求出使用活性炭，并通过一级搅拌吸附装置进行处理时的活性炭投加量。,（3）将泥渣接触反应池作为搅拌池来使用，被处理水在池内停留时间为1小时，现在原水浓度急剧增加，,COD,增至60,mg/L,按照（2）求得的活性炭投加量进行运转时，处理水质恶化到何种程度？假如要保持出水,COD,为3,mg/L，,求所需的活性炭投加量。假设平衡关系的浓度范围为0-60,mg/L，,而且可以利用上述（1）中所求得的关系。,（4）用碳柱进行处理，炭柱的工作周期定为1000小时，如果采用双柱全饱和串联运行，即在碳柱退出运行进行再生，碳柱中碳的容量被完全消耗尽，试计算双柱串联所需碳柱尺寸及每个碳柱的工作时间。碳柱滤速12.5,m/h，,活性炭填充密度为0.4,kg/L。,2.试推导当吸附等温线用,Freundlich,表示时的传质单元数,N,of,表达式。,例7-2 某化工厂每小时排出含,COD30mg/L,的废水50,m,3,拟采用活性炭吸附处理，将,COD,降至3,mg/L,之后，作为工厂用水循环使用。由吸附试验，得吸附等温式,q,e,=0.058c,e,0.5,；,总传质系数,k,f,a,v,=54h,-1,。试计算：,（1）采用一级搅拌吸附所需的活性炭投量；,（2）采用二级逆流吸附，求所需的投炭量以及第一级出水浓度；,（3）采用固定床吸附，当出水,COD3mg/L,时停止进水，设空塔速度为12.5,m/h，,炭密度为400,kg/m,3,床层厚度3.5,m。,求,Z,a,、v,a,、t,B,和,f,以及吸附塔尺寸。,解：由吸附等温式知，当,c,e,=3mg/L,时，其平衡吸附量,q,e,=0.1mgCOD/mg,炭。因此据式（7-1）得：,由式7-35求出当1/,n0.5,c,2,/c,0,0.1,时的,c,1,15mg/L，,与,c,1,对应的第一级平衡吸附量,q,1,0.22,按式（7-21）有,为计算,Z,a,需先计算吸附区传质单元数,N,0f,。,为此作出吸附等温线和操作线，如图。已知,c,B,=3mg/L，,取,c,E,=27mg/L，,与,c,值对应的,c,*,值（可计算）。据此得出1/(,c-c,*,),对,c,在,c-c,*,间的曲线如图。,通过图解积分曲线下的面积，即得传质单元数为：,c,c,*,由已知条件利用式7-47有,由式7-44有,由式7-52有,当床层厚度为3.5,m,时，,t,B,=1010h,c,0,f,表7-3穿透曲线计算表,据表中数据作,ct,图,