06 第6章 吸附法.pptx

第1页：第6章 吸附

第6章吸附Adsorption

第2页：本章要解决的问题

本章要解决的问题:•吸附过程的本质是什么吗?•吸附在水处理中的作用是什么?•吸附在工业上是如何实现的?•常用的吸附剂有哪些?如何评价其优劣?

第3页：本章学习内容

• 吸附法◆吸附法的分类，其主要机理◆吸附工艺过程◆吸附剂的要求与特性◆吸附剂的再生通过本章学习应掌握以下内容：

第4页：第六章教学内容与6.1吸附基本理论

4第六章教学内容6.1吸附的基本理论6.1.1吸附过程及分类6.1.2吸附平衡与吸附容量6.2吸附的操作及设备6.2.1吸附操作分类6.2.2吸附操作设备6.3影响吸附的因素6.4吸附剂6.5吸附剂的解吸再生6.6吸附法处理的特点及应用

第5页：6.1 吸附的基本理论

• 6.1.1吸附过程及分类吸附是指利用多孔性固体物质吸附废水中某种或几种污染物，以回收或去除某些污染物，从而使废水得到净化的方法。具有吸附能力的多孔性固体物质称为吸附剂(absorbent)。而废水中被吸附的物质称为吸附质(adsorbate)。6.1吸附的基本理论

第6页：吸附的概念与界面现象

吸附是一种界面现象，其作用发生在两个相（体系中具有相同物理性质和化学性质的任何均匀部分）的界面上。吸附的原因是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。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。溶质从水中移向固体颗粒表面而发生吸附，是水、溶质和固体颗粒三者之间相互作用的结果。

第7页：三种类型

有两个因素决定吸附的发生：溶质对水的疏水特性；溶质对固体颗粒的高度亲合力。溶质的溶解度决定第一个因素。吸附质与吸附剂之间的静电引力、范德华力或化学键力决定第二个因素。根据吸附剂与吸附质之间作用力的不同，吸附可分为物理吸附(physical adsorption)、化学吸附(chemical adsorption)和离子交换吸附(ion exchange adsorption)三种类型。

第8页：物理吸附的特点

吸附剂和吸附质之间通过分子间力作用所发生的吸附为物理吸附。•没有选择性;•吸附质并不固定在吸附剂表面的特定位置上，而是多少能在界面范围内自由移动;•物理吸附主要发生在低温状态下，放热较小;•可以是单分子层或多分子层吸附;•解吸容易。影响物理吸附的主要因素：吸附剂的表面积和细孔分布。（1）物理吸附的特点

第9页：化学吸附的特点

吸附剂和吸附质之间发生由化学键力引起的吸附称为化学吸附。•有选择性，即一种吸附剂只对某种或特定几种物质有吸附作用;•一般为单分子层吸附，分子不能在表面自由移动;•吸附时放热量较大；通常需要一定的活化能;•在低温时，吸附速度较小；•吸附牢固，解吸困难。影响化学吸附的主要因素：吸附剂的表面化学性质和吸附质的化学性质。（2）化学吸附的特点

第10页：离子交换吸附的特点

离子交换吸附指吸附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。※吸附力为静电引力※有一定的选择性※吸附热与物理吸附相近影响交换吸附势的重要因素：离子电荷数和水合半径的大小。（3）离子交换吸附的特点

第11页：吸附作用的三种类型

在实际吸附过程中,上述几类吸附往往同时存在,难于明显区分。e.g.某物质分子在物理吸附后,其化学键被拉长,甚至拉长到足以改变这个分子的化学性质。物理吸附和化学吸附在一定条件下也是可以相互转化的。同一物质在低温下为物理吸附;高温下则为化学吸附。物理吸附后再生容易，且能回收吸附质。化学吸附因结合牢固，再生较困难，必须在高温下才能脱附，脱附下来的可能还是原来的吸附质，也可能是新的物质。利用化学吸附处理毒性很强的污染物更安全。

第12页：6.1 吸附的基本理论

• 6.1.2吸附平衡与吸附容量•当废水和吸附剂充分接触后，一方面吸附质被吸附剂吸附，另一方面一部分已被吸附的吸附质由于热运动的结果，能够脱离吸附剂的表面，又回到液相中去。前者称为吸附过程，后者称为解吸过程(desorption)。•当吸附速度和解吸速度相等时，即单位时间内吸附的数量等于解吸数量时，则吸附质在液相中和吸附剂表面上的浓度都不再改变，此时称为达到吸附平衡(adsorptionequilibrium)。

第13页：吸附平衡与吸附容量

• 达到吸附平衡时吸附质在液相中的浓度称为平衡浓度(equilibrium concentration)。•吸附容量(adsorptive capacity)是指单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的质量，一般用q表示，单位mg/g或g/g。•如果用V表示废水体积；C0和C分别表示吸附前后吸附质的浓度；W表示吸附剂的质量，则：6.1.2吸附平衡与吸附容量

第14页：吸附平衡与吸附容量

根据平衡吸附量与相应的平衡浓度C，得到吸附等温线。常用描述的数学表达式有Langmiur，B.E.T，Freundlich等温线B.E.TFreundlichLangmiurn>16.1.2吸附平衡与吸附容量

第15页：吸附速度

吸附速度（adsorption rate)是指单位质量的吸附剂在单位时间内所吸附的吸附质的数量。吸附速度取决于吸附剂和吸附质的性质，实际废水处理中，由于废水中的成分复杂，吸附速度由试验来确定。吸附速度决定了废水和吸附剂的接触时间(contact time)。吸附速度越快，接触时间越短，所需的吸附设备的容积也就越小。吸附速度(adsorption rate)：

第16页：吸附速度

吸附速度测定装置将20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，经过一定时间接触后，每隔一段时间取一次悬浮液送入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。吸附速度(adsorption rate)：

第17页：吸附过程的三个阶段

吸附过程一般分为3个阶段：1.液膜扩散（颗粒外部扩散）阶段2.颗粒内部扩散阶段3.吸附反应阶段：吸附质被吸附在细孔内表面上。吸附反应速度非常快，吸附速度主要取决于第I、II阶段速度，而颗粒外部扩散速度（液膜扩散）U=f(C, d,搅动)

第18页：颗粒外部扩散速度颗粒内部

颗粒外部扩散速度颗粒内部扩散速度V=f（细孔大小与构造，吸附剂的d）吸附剂颗粒直径d↓，V↑。d的大小对内、外部扩散都有很大影响，d ↓, V↑。所以，粉末状活性炭比粒状活性炭的吸附速度要快，接触时间短，设备容积小。溶液浓度C↑，则U↑颗粒直径d↓，则U↑加强搅动，则U↑

第19页：6.2 吸附的操作及设备

• 6.2.1吸附操作的分类按吸附操作过程中废水的流动状态，可把吸附操作分为静态吸附和动态吸附。废水在不流动的条件下进行的吸附操作为静态吸附操作。静态吸附操作工艺过程是把一定量的吸附剂投入欲处理的废水中，不断地进行搅拌达到吸附平衡后，再用沉降或过滤的方法使废水与吸附剂分开。静态吸附操作是间歇式操作。有时需要进行多次。6.2吸附的操作及设备

第20页：6.2 吸附的操作及设备

W1，q0W2，q0W3，q0反应池1反应池2反应池3原水Q，C0W1，q1W2，q2W3，q3C1C2C3Q，C3多级平流吸附反应池1反应池2反应池3原水Q，C0C1C2Q,C3处理水新炭失效炭W，q1q2q3W，q4多级逆流吸附6.2吸附的操作及设备

第21页：多次静态吸附与动态吸附

如一次吸附后出水水质达不到要求时，往往采用多次静态吸附操作。由于多次吸附操作麻烦，在废水处理中应用较少。动态吸附操作是废水在流动条件下进行的吸附操作。动态吸附操作是连续的过程。一般是废水连续通过一定厚度的活性炭床层，使废水中的污染物吸附在活性炭中。从处理设备的类型上分，又可以分成固定床(fixedbed)方式、移动床方式(moving bed)和流化床(expanded bed)方式。

第22页：6.2 吸附的操作及设备

• （1）固定床固定床是废水处理中常用的吸附装置。让废水连续地通过填充吸附剂的设备。这种动态吸附设备中，吸附剂在操作过程中是固定的。固定床根据水流方向又分为升流式(up-flow)和降流式(down-flow)两种。降流式出水水质较好,水头损失较大,易堵塞。升流式水头损失小，运行时间较长。不易堵塞，但吸附剂易流失。6.2吸附的操作及设备

第23页：固定床吸附塔示意图粒状活

23固定床吸附塔示意图粒状活性炭吸附层固定床的操作是间断的，因为吸附饱和后需要更换新炭

第24页：固定床吸附塔构造示意图

• （2）移动床•移动床的运行操作方式是原水从吸附塔底部流入和吸附剂进行逆流接触，处理后的水从塔顶流出，再生后的吸附剂从塔顶加入，接近吸咐饱和的吸附剂从塔底排出，即吸附剂由上而下移动，所以称为移动床。•按吸附剂排出的方式又分为间歇移动床和连续移动床。移动床充分利用吸附剂的吸附容量，水头损失小。

第25页：移动床吸附塔构造示意图

移动床吸附塔构造示意图粒状活性炭吸附层去再生系统新的或再生后的活性炭移动床的进出水是连续的，活性炭的进出可以是连续的也可以是间断的

第26页：流动床吸附塔构造示意图

• （3）流动床流动床也叫做流化床。吸附剂在塔中处于膨胀状态，塔中吸附剂与废水逆向连续流动。•可使用小颗粒的吸附剂，吸附剂一次投量较少，不需反洗，设备小，生产能力大，预处理要求低。•运转中操作要求高，不易控制，同时吸附剂的机械强度要求高。

第27页：流动床吸附塔构造示意图

流动床吸附塔构造示意图

第28页：吸附剂性质对吸附的影响

• 6.3.1吸附剂性质的影响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，则吸附能力越强。e.g.苯酚在丙烯酸酯类树脂中的吸附6.3影响吸附的因素苯酚的吸附量与吸附剂比表面之间的关系

第29页：6.3 影响吸附的因素活性炭细孔

• 6.3.1吸附剂性质的影响2）孔结构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。6.3影响吸附的因素活性炭细孔分布及作用图

第30页：6.3 影响吸附的因素

• 6.3.1吸附剂性质的影响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，它们成为选择性的吸附中心，使吸附剂具有类似化学吸附的能力。一般把表面氧化物分成酸性和碱性两大类：酸性氧化物基团：羧基、酚羟基、醌型羰基、正内酯基、荧光型内酯基、羧酸酐基及环式过氧基等。碱性氧化物基团：如氧萘的结构、吡喃酮的结构等。6.3影响吸附的因素

第31页：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的减少而增加，也即吸附量随有机物分子量的增大而增加。如活性炭对有机酸的吸附量按甲酸<乙酸<丙酸<丁酸的次序而增加。（2）吸附质的性质

第32页：操作条件

温度：吸附是放热过程，低温有利于吸附，升温有利于脱附。pH: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特性和化学特性，进而影响到吸附效果。接触时间：应保证吸附剂与吸附质有足够的接触时间。吸附剂的脱附再生、溶液的组成和浓度及其它因素也影响吸附效果。（3）操作条件

第33页：吸附质溶解度与吸附量的关系

活性炭吸附镉氰络合物时去除率与pH值的关系

第34页：6.4 吸附剂工业

• 6.4吸附剂工业吸附剂必须满足下列要求:（a）吸附能力强；（b）吸附选择性好；（c）吸附平衡浓度低；（d）容易再生和再利用；（e）机械强度好；（f）化学性质稳定；（g）来源广；（h）价格低。一般工业吸附剂难于同时满足这八个方面的要求，应根据不同的场合选用。

第35页：◎活性炭

◎活性炭◎分子筛◎树脂吸附剂◎腐植酸类吸附剂◎硅胶◎活性铝常用的吸附剂

第36页：活性炭的制备与特性

活性炭是一种非极性吸附剂。是由含炭为主的物质为原料，经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂。外观为暗黑色，有粒状(granularactivated carbon, GAC)和粉状(powderactivated carbon, PAC)两种，目前工业上大量采用的是粒状活性炭。（1）活性炭

第37页：活性炭的比表面积与孔隙

比表面积：800~2000 m2/g，具有很高的吸附能力。吸附能力与孔隙结构和分布有关。小孔(<2nm)；过渡孔(2~100nm)；大孔(>100nm)。S小占95%S总，对吸附量影响最大；过渡孔不仅为吸附质提供通道，而且当吸附质的分子较大时，主要靠它们来完成吸附；大孔主要为吸附质提供通道。（1）活性炭

第38页：活性炭的组成与吸附中心

活性炭主要成分除碳外，还含有少量的氧、氢、硫等元素，以及水分、灰分。吸附中心：☆物理吸附活性点，数量很多，没有极性，是构成活性炭吸附能力的主体部分；☆化学吸附活性点，主要是在制备过程中形成的一些具有专属反应性能的含氧官能团，如羧基、羟基、羰基等，对活性炭的吸附特性有一定的影响。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。

第39页：1.9 均匀系数

39适用于废水处理的粒状活性炭的主要指标数值项目数值项目0.85cm3/g孔隙容积950-1500m2/g比表面积900mg/g碘值(最小)0.44g/cm3堆积密度70%磨损值(最小)1.3g/cm3颗粒密度7%灰分(最大)2.1g/cm3真密度2%包装后含水率(最大)0.8-0.9 mm有效粒径1.5-1.7 mm平均粒径<1.9均匀系数

第40页：树脂吸附剂

树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。按照基本结构分类，吸附树脂大体可分为非极性、中性、极性和强极性四种类型。（2）树脂吸附剂

第41页：树脂吸附剂的特点

结构容易人为控制；适应性大、应用范围广；吸附选择性特殊、稳定性高。再生简单，多数为溶剂再生。在应用上它介于活性炭等吸附剂与离子交换树脂之间，而兼具它们的优点，既具有类似于活性炭的吸附能力，又比离子交换剂更易再生。树脂吸附剂的特点

第42页：腐植酸吸附剂对阳离子的吸附性能

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。它的大分子约由10个分子大小的微结构单元组成，每个结构单元由核(主要由五元环或六元环组成)、联结核的桥键(如-O-、-CH2-、-NH-等)、以及核上的活性基团所组成。据测定，腐植酸含有的活性基团有羟基、羧基、羰基、胺基、磺酸基、甲氧基等。（3）腐植酸吸附剂对阳离子的吸附性能

第43页：腐植酸吸附剂的吸附特点

腐植酸对阳离子的吸附，包括离子交换、螯合、表面吸附、凝聚等作用，既有化学吸附，又有物理吸附。当金属离子浓度低时，以螯合作用为主，当金属离子浓度高时，离子交换占主导地位。腐植酸类物质能吸附工业废水中的各种金属离子，如Hg、Zn、Pb、Cu、Cd等，其吸附率可达90％－99％。存在形态不同，吸附效果也不同，对Cr3+的吸附率大于Cr6+。腐植酸吸附剂的吸附特点

第44页：用作吸附剂的腐植酸类物质

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制成腐植酸系树脂，造粒成型，以便用于管式或塔式吸附装置。

第45页：6.5 吸附剂的解吸再生

• 6.5吸附剂的解吸再生•解吸再生就是在保持吸附剂结构不发生或者稍微发生变化的情况下将吸附质由吸附剂的表面去除，以恢复其吸附性能的过程。所以解吸再生是吸附的逆过程。•吸附剂的解吸再生方法有：加热再生法、化学氧化再生法、药剂再生法、生物再生法等。

第46页：加热再生法的步骤

(a)干燥:加热到100－150℃，目的是将吸附在活性炭细孔中的水分(含水率约为40％－50％)蒸发出来，同时部分低沸点的有机物也随着挥发出来；(b)炭化:水分蒸发后，继续加温到700℃，这时，低沸点有机物全部挥发脱附。高沸点有机物由于热分解，一部分成为低沸点有机物挥发脱附，另一部分被炭化，残留在活性炭微孔中；加热再生法的步骤

第47页：加热再生法的步骤

(c)活化:通入活化气体(如水蒸汽、二氧化碳及氧)将因炭化留在活性炭微孔中的残留炭气化，达到重新造孔的目的。活化温度一般700－1000℃;活化过程中，还必须控制再生装置中氧的含量，一般控制在l％以下，以减少活性炭损失。再生后废气主要含CO2、H2、CO以及SO2、O2等，视吸附物及活化气体的不同而异。加热再生法的步骤

第48页：立式多段再生炉

立式多段再生炉

第49页：药剂再生

用某种化学药剂将被吸附的吸附质解吸下来的过程为药剂解吸。其过程是在饱和吸附剂中加入适当的溶剂，改变吸附剂与吸附质之间的分子引力，改变介质的介电常数。从而使原来的吸附破坏，吸附质离开吸附剂进入溶剂中，达到再生和回收的目的。（2）药剂再生

第50页：化学氧化再生法

用氧化剂来氧化吸附剂所吸附的有机污染物或还原性无机物，使吸附剂恢复吸附性能。湿式氧化：高温和高压下，用空气来氧化吸附剂吸附的有机物或还原性无机物。臭氧氧化氯氧化（含氯药剂：液氯、漂白粉、次氯酸钠、二氧化氯）高锰酸盐过氧化氢（3）化学氧化再生法

第51页：吸附剂再生方法的比较

• (4)生物再生法•生物再生法主要用于吸附质为有机物的情况。利用微生物的作用，将被活性炭吸附的有机物氧化分解。•活性炭再生后，炭本身及炭的吸附量都不可避免地会有损失。对加热再生法，再生后的活性炭微孔减少，过渡孔增加，比表面积和碘值均有所降低。•对于主要靠微孔的吸附操作，再生次数对吸附有较重要的影响。•对于主要利用过渡孔的吸附操作，则再生次数对吸附性能的影响不大。

第52页：6.6 吸附法处理废水的特点和用

适应范围广；处理效果好；可回收有用物料；吸附剂可重复使用；缺点是对进水预处理要求较高，运转费用较高，系统庞大，操作较麻烦。6.6吸附法处理废水的特点和用途特点

第53页：6.6 吸附法处理废水的特点和用

应用范围：•脱色，除臭味，脱除重金属、各种溶解性有机物和放射性元素等。•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。•作为二级处理后的深度处理手段，以保证回用水的质量。6.6吸附法处理废水的特点和用途特点

第54页：含油废水粒状活性炭吸附工艺流程

含油废水粒状活性炭吸附工艺流程脱水，目的是使炭与水分离，为再生创造条件储存罐，为抽真空，目的是去除氧气，避免炭加热时损失干燥，加热到100-150°C，目的是使吸附在细孔中的水分蒸发出来活化再生，加热到700-1000°C，并通入活化气体1吸附塔2冲洗罐3新炭投加斗4集水井5，6泵7脱水罐8贮料罐9沸腾干燥炉10引风机11旋风分离器13干燥罐14进料机15再生炉16急冷罐洗炭，目的是清除新炭或再生炭中的杂质

第55页：本章小结

1基本概念：吸附法，吸附平衡，吸附容量2基本原理：吸附的机理。3吸附剂的种类与再生方法。4基本工艺过程：吸附的工艺过程。本章小结