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時，一般都是通過固液界面的吸附來實現的，具吸附能力的多孔性固體物質稱為吸附劑。

1、吸附原理

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

式中，若某溶質能降低溶液的表面張力，即為負值， 為正值，產生正吸附，若某溶質能增加溶液的表面張力，則為正值， 為負值，產生負吸附，稱為解吸。

2、吸附的類型

⑴物理吸附：

特點是吸附熱較小，低溫就能進行，吸附是可逆的，吸附基本沒有選擇性。

⑵化學吸附：

特點是吸附熱較大一般在較高溫度下進行;當化學鍵力大時，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發(fā)生化學吸附。

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果，但由于吸附質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，Ⅱ型吸附等溫線與BET等溫式相對應。應理解這幾個公式，并掌握公式中各參數的計算過程。

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所吸附的吸附質質量。

吸附速率越快，吸附質與吸附劑接觸時間就越短，所需的吸附設備容積也就越小。

吸附速率取決于吸附質的傳質過程，對于多孔吸附劑，傳質分為以下三步：

①吸附質從溶液主體擴散到吸附劑外表面，這是吸附質透過吸附劑表面液膜的傳質簡稱外擴散;

②吸附質由吸附劑顆粒的外表面，經顆粒內的細孔擴散到顆粒的內表面，簡稱內擴散;

③吸附質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、腐殖質酸、焦炭、木炭、木屑、爐渣和粉煤灰等，應用較多的是活性炭。

⑵活性炭的特性

①活性炭的比表面積和孔隙結構

活性炭具有巨大的比表面積和豐富的孔隙結構。比表面積可達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活性炭的表面化學性質

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

其表面積越大，吸附能力就越強; 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;活性炭吸附劑顆粒的大小，細孔的

構造和分布情況以及表面化學性質等對吸附也有很大的影響。

②吸附質的性質

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

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

④共存物質

共存多種吸附質時，活性炭對某種吸附質的吸附能力比只含該種吸附質時的吸附能力差。

⑤溫度

溫度對活性炭的吸附影響較小

⑥接觸時間

應保證活性炭與吸附質有一定的接觸時間，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特殊的情況下。

⑵動態(tài)吸附

廢水在流動時進行的吸附為動態(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、原水水質和處理出水水質指標的不同，工程中可采用單床、多床串聯和多床并聯等三種操作方式。移動床和流化床在廢水處理中應用較少。

7、吸附床的設計

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關系并求出相應的吸附等溫線。

②確定吸附速率試驗

測定不同時間水樣中溶質濃度，直到濃度不再變化為止，根據數據求出吸附速率。

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行多床串聯試驗，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主要設計參數

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用

廣泛應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物，經生化處理后很難達到對排放要求較高的水體中排放的標準，也嚴重影響廢水的回用，因此需要深度處理。

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

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

②應用范圍廣，對廢水中絕大多數有機物都有效，包括微生物難于降解的有機物。

③適應性強，對水量及有機物負荷的變動有較強的適應性能，可得到穩(wěn)定的處理效果。

④粒狀炭可進行再生重復使用，被吸附的有機物在再生過程中被燒掉，不產生污泥。

⑤可回收有用物質，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設備緊湊、管理方便。

⑵飲用水深度處理中的應用

活性炭吸附是建立在常規(guī)給水處理基礎上，一般設置在砂過濾之后，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行飲用水深度處理的過程中，發(fā)現在活性炭濾料上生長有大量的微生物，使出水水質提高且再生延長，于是發(fā)展了一種經濟有效的去除水中的微污染物質的生物活性炭工藝，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，有的不能達到排放標準，或運行費用較高，或操作較麻煩等，例如有毒的有機化合物和某些金屬及其化合物等。工程實踐表明，活性炭對這些物質有很強的吸附能力。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：先進入調節(jié)池(50～60攝氏度)，冷卻沉降后進入廢水池(30～40攝氏度)，再用固定床式吸附塔進行吸附，經石灰石膨脹中和濾池后排放，其中冷卻沉降的結晶二硝基氯苯可以回收。吸附塔的工藝參數：濾速14～15m/h;接觸時間0.25h，采用二塔串聯，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，經處理后，吸附塔進水二硝基氯苯為700mg/L，出水為5mg/L，PH值大于6，達到排放標準。