2018年環(huán)保工程師知識點重點講解：吸附

一、 吸 附

吸附：溶液中的物質(zhì)由一相向某種適宜的另一相界面上積累的過程。

在廢水處理中，用吸附作用來去除廢水中的污染物質(zhì)時，一般都是通過固液界面的吸附來實現(xiàn)的，具吸附能力的多孔性固體物質(zhì)稱為吸附劑。

1、吸附原理

吸附是一種在兩相界面上發(fā)生的表面現(xiàn)象，與物質(zhì)表面張力和表面能的變化有關(guān)，符合熱力學(xué)第二定律，可用吉布斯方程式表示：

式中，若某溶質(zhì)能降低溶液的表面張力，即為負(fù)值， 為正值，產(chǎn)生正吸附，若某溶質(zhì)能增加溶液的表面張力，則為正值， 為負(fù)值，產(chǎn)生負(fù)吸附，稱為解吸。

2、吸附的類型

⑴物理吸附：

特點是吸附熱較小，低溫就能進(jìn)行，吸附是可逆的，吸附基本沒有選擇性。

⑵化學(xué)吸附：

特點是吸附熱較大一般在較高溫度下進(jìn)行;當(dāng)化學(xué)鍵力大時，吸附是不可逆的;吸附有選擇性，一種吸附劑只對某種或幾種吸附質(zhì)發(fā)生化學(xué)吸附。

⑶離子交換吸附：

水處理中，吸附往往是由上述3種吸附綜合作用的結(jié)果，但由于吸附質(zhì)和吸附劑的不同以及其他因素的影響，可能某種吸附是主要的。

3、吸附等溫線

在溫度一定的條件下，吸附容量隨吸附質(zhì)平衡濃度的增大而提高，吸附容量隨平衡濃度而變化的曲線稱為吸附等溫線。

常見的吸附等溫線有Ⅰ型和Ⅱ型兩種類型。

Ⅰ型吸附等溫線與朗格謬爾和弗蘭德利希吸附等溫式相對應(yīng)，Ⅱ型吸附等溫線與BET等溫式相對應(yīng)。應(yīng)理解這幾個公式，并掌握公式中各參數(shù)的計算過程。

4、吸附速率

吸附速率是指單位重量的吸附劑在單位時間內(nèi)所吸附的吸附質(zhì)質(zhì)量。

吸附速率越快，吸附質(zhì)與吸附劑接觸時間就越短，所需的吸附設(shè)備容積也就越小。

吸附速率取決于吸附質(zhì)的傳質(zhì)過程，對于多孔吸附劑，傳質(zhì)分為以下三步：

①吸附質(zhì)從溶液主體擴(kuò)散到吸附劑外表面，這是吸附質(zhì)透過吸附劑表面液膜的傳質(zhì)簡稱外擴(kuò)散;

②吸附質(zhì)由吸附劑顆粒的外表面，經(jīng)顆粒內(nèi)的細(xì)孔擴(kuò)散到顆粒的內(nèi)表面，簡稱內(nèi)擴(kuò)散;

③吸附質(zhì)在吸附劑的表面上被吸附。

5、常用吸附劑及影響吸附的主要因素

⑴常用吸附劑

活性炭、磺化煤、活化煤、沸石、活性白土、硅藻土、腐殖質(zhì)酸、焦炭、木炭、木屑、爐渣和粉煤灰等，應(yīng)用較多的是活性炭。

⑵活性炭的特性

①活性炭的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)

活性炭具有巨大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。比表面積可達(dá)500～1700m2/g，其中小孔容積一般為0.15～0.9ml/g，表面積占比表面積的95%以上，過渡孔容積一般為0.02～0.1ml/g，表面積占比表面積的5%左右，而大孔容積一般為0.2～0.5ml/g，表面積很小，只有0.5～2m2/g。

②活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)

由于活性炭表面有—OH基等，所以具有一些極性。

⑶影響活性炭吸附的主要因素

①活性炭吸附劑的性質(zhì)

其表面積越大，吸附能力就越強(qiáng); 活性炭是非極性分子，易于吸附非極性或極性很低的吸附質(zhì);活性炭吸附劑顆粒的大小，細(xì)孔的

構(gòu)造和分布情況以及表面化學(xué)性質(zhì)等對吸附也有很大的影響。

②吸附質(zhì)的性質(zhì)

取決于其溶解度、表面自由能、極性、吸附質(zhì)分子的大小和不飽和度、附質(zhì)的濃度等。

③廢水PH值

活性炭一般在酸性溶液中比在堿性溶液中有較高的吸附率。

PH值會對吸附質(zhì)在水中存在的狀態(tài)及溶解度等產(chǎn)生影響，從而影響吸附效果。

④共存物質(zhì)

共存多種吸附質(zhì)時，活性炭對某種吸附質(zhì)的吸附能力比只含該種吸附質(zhì)時的吸附能力差。

⑤溫度

溫度對活性炭的吸附影響較小

⑥接觸時間

應(yīng)保證活性炭與吸附質(zhì)有一定的接觸時間，使吸附接近平衡，充分利用吸附能力。

6、吸附操作方式

⑴靜態(tài)吸附

適用于處理水量小或吸附劑性質(zhì)特殊的情況下。

⑵動態(tài)吸附

廢水在流動時進(jìn)行的吸附為動態(tài)吸附，其工藝可分為固定床、移動床、流化床三種。

固定床：在水處理工藝中常用。由于處理水量、原水水質(zhì)和處理出水水質(zhì)指標(biāo)的不同，工程中可采用單床、多床串聯(lián)和多床并聯(lián)等三種操作方式。移動床和流化床在廢水處理中應(yīng)用較少。

7、吸附床的設(shè)計

⑴吸附試驗

①確定吸附容量試驗

主要是確定吸附容量公式中各參數(shù)關(guān)系并求出相應(yīng)的吸附等溫線。

②確定吸附速率試驗

測定不同時間水樣中溶質(zhì)濃度，直到濃度不再變化為止，根據(jù)數(shù)據(jù)求出吸附速率。

③裝置試驗

選用直徑為100～150mm、高為1.5～2.5m的吸附柱裝置，吸附劑層厚度約1.0～1.5m?？蛇M(jìn)行多床串聯(lián)試驗，并繪制穿透曲線，利用

此曲線確定使吸附容量得以充分利用的吸附操作方式。

⑵主要設(shè)計參數(shù)

包括吸附塔直徑(1～3.5m)、充填層厚度(3～10m)、充填層與塔徑之比(1：1～4：1)、活性炭粒徑(0.5～2.0mm)、接觸時間(10～50min)、容積線速度、過濾線速度(升流式：9～25m/h，降流式：7～12m/h)、反沖洗線速度、反沖洗時間(3～8min)、反沖洗周期(8～72h)、反沖洗膨脹率等。

8、活性炭吸附法在水處理中的應(yīng)用

廣泛應(yīng)用于在城市污水處理、飲用水及工業(yè)廢水處理。

⑴城市污水處理

廢水中的一些有機(jī)物是難于為微生物或一般氧化法所氧化分解的，如酚、苯、石油及其產(chǎn)品、殺蟲劑、洗滌劑、合成染料、胺類化合物以及許多人工合成有機(jī)物，經(jīng)生化處理后很難達(dá)到對排放要求較高的水體中排放的標(biāo)準(zhǔn)，也嚴(yán)重影響廢水的回用，因此需要深度處理。

由于活性炭對有機(jī)物的吸附能力大，在廢水深度處理中得到廣泛的應(yīng)用，具有以下優(yōu)點：

①處理程度高，城市污水用活性炭進(jìn)行深度處理后，BOD可降低99%，TOC可降到1～3mg/L。

②應(yīng)用范圍廣，對廢水中絕大多數(shù)有機(jī)物都有效，包括微生物難于降解的有機(jī)物。

③適應(yīng)性強(qiáng)，對水量及有機(jī)物負(fù)荷的變動有較強(qiáng)的適應(yīng)性能，可得到穩(wěn)定的處理效果。

④粒狀炭可進(jìn)行再生重復(fù)使用，被吸附的有機(jī)物在再生過程中被燒掉，不產(chǎn)生污泥。

⑤可回收有用物質(zhì)，例如用活性炭處理含酚廢水，用堿再生吸附飽和的活性炭，可以回收酚鈉鹽。

⑥設(shè)備緊湊、管理方便。

⑵飲用水深度處理中的應(yīng)用

活性炭吸附是建立在常規(guī)給水處理基礎(chǔ)上，一般設(shè)置在砂過濾之后，也可與砂濾料組成雙層濾料過濾或以活性炭過濾代替砂過濾。在利用活性炭吸附進(jìn)行飲用水深度處理的過程中，發(fā)現(xiàn)在活性炭濾料上生長有大量的微生物，使出水水質(zhì)提高且再生延長，于是發(fā)展了一種經(jīng)濟(jì)有效的去除水中的微污染物質(zhì)的生物活性炭工藝，流程為原水—(加入混凝劑)—澄清—過濾(加入臭氧)再利用活性炭吸附，最后是出水。

⑶工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用

很多工業(yè)廢水很難或不能采用生化處理，采用其他方法時，有的不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，或運行費用較高，或操作較麻煩等，例如有毒的有機(jī)化合物和某些金屬及其化合物等。工程實踐表明，活性炭對這些物質(zhì)有很強(qiáng)的吸附能力。例如：

某染料廠排放廢水量為320m3/d，主要污染物二硝基氯苯為1000～1200mg/L，酸(以硫酸計)0.5%，工藝流程為：先進(jìn)入調(diào)節(jié)池(50～60攝氏度)，冷卻沉降后進(jìn)入廢水池(30～40攝氏度)，再用固定床式吸附塔進(jìn)行吸附，經(jīng)石灰石膨脹中和濾池后排放，其中冷卻沉降的結(jié)晶二硝基氯苯可以回收。吸附塔的工藝參數(shù)：濾速14～15m/h;接觸時間0.25h，采用二塔串聯(lián)，一塔備用，塔徑900mm，塔高5m，每塔裝活性炭2.0m3，重1.09t，裝炭高度3.2m，經(jīng)處理后，吸附塔進(jìn)水二硝基氯苯為700mg/L，出水為5mg/L，PH值大于6，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。