建筑工程給排水水處理-吸附

第六六章章吸吸附附6.1吸附附概概述述6.2活性性炭炭吸吸附附6.3活性性炭炭吸吸附附的的應(yīng)應(yīng)用用6.4活性性炭炭的的再再生生6.5水處處理理中中的的其其它它吸吸附附劑劑6.1吸附附概概述述6.1.1概念念吸附附：：在相相界界面面上上，，物物質(zhì)質(zhì)的的濃濃度度自自動動發(fā)發(fā)生生累累積積或或濃濃集集的的現(xiàn)現(xiàn)象象.在水水處處理理中中，，主主要要介介紹紹利利用用固固體體物物質(zhì)質(zhì)表表面面對對水水中中物物質(zhì)質(zhì)的的吸吸附附作作用用，，即即固—液界界面面上上的的吸吸附附：：吸附附法法：：是利利用用多多孔孔性性的的固固體體物物質(zhì)質(zhì)，，使使水水中中的的一一種種或或多多種種物物質(zhì)質(zhì)被被吸吸附附在在固固體體表表面面而而去去除除的的方方法法。。吸附附劑劑：：具有有吸吸附附能能力力的的多多孔孔性性固固體體物物質(zhì)質(zhì)。。吸附附質(zhì)質(zhì)：：廢水水中中被被吸吸附附的的物物質(zhì)質(zhì)。。6.1.2吸附附的的分分類類根據(jù)據(jù)固固體體表表面面吸吸附附力力的的不不同同，，吸吸附附可可分分為為以以下下兩兩種種類類型型：：物理理吸吸附附、、化化學(xué)學(xué)吸吸附附。。1.物理理吸吸附附：：吸附附劑劑和和吸吸附附質(zhì)質(zhì)之之間間通通過過分分子子間間的的力力產(chǎn)產(chǎn)生生的的吸吸附附稱稱為為物物理理吸吸附附。。物理理吸吸附附是是一一種種常常見見的的吸吸附附現(xiàn)現(xiàn)象象，，一般般在在較低低溫溫度度下進進行行。。由于于吸吸附附是是分分子子間間力力引引起起的的，，所所以以吸吸附附熱熱較較小小，，一一般般在在41.9kJ／mol以內(nèi)內(nèi)，，物物理理吸吸附附因因不不發(fā)發(fā)生生化化學(xué)學(xué)作作用用，，所所以以在在低低溫溫下下就就能能進進行行。。物理理吸吸附附可可形形成成單分分子子吸吸附附層層或多分分子子吸吸附附層層。由于于分分子子間間力力是是普普遍遍存存在在的的，，所所以以一一種種吸吸附附劑劑可可吸吸附附多多種種吸吸附附質(zhì)質(zhì)。。形形成成多多分分子子吸吸附附層層。。但由由于于吸吸附附劑劑和和吸吸附附質(zhì)質(zhì)的的極極性性強強弱弱不不同同，，某某一一種種吸吸附附劑劑對對各各種種吸吸附附質(zhì)質(zhì)的的吸吸附附量量是是不不同同的的。。被吸吸附附的的分分子子由由于于熱熱運運動動還還會會離離開開吸吸附附劑劑表表面面，，這這種種現(xiàn)現(xiàn)象象稱稱為為解解吸吸。。吸吸附附━解吸吸是是可逆逆過程程。。2.化學(xué)學(xué)吸吸附附化學(xué)學(xué)吸吸附附是吸吸附附劑劑和和吸吸附附質(zhì)質(zhì)之之間間發(fā)發(fā)生生的的化化學(xué)學(xué)作作用用，，是由由于于化化學(xué)學(xué)鍵鍵力力引引起起的的吸吸附附。。化學(xué)學(xué)吸吸附附一一般般在在較高高溫溫度度下進進行行，，吸吸附附熱熱較較大大，，相相當當于于化化學(xué)學(xué)反反應(yīng)應(yīng)熱熱，，一一般般為為83.7~418.7kJ／mol。一種種吸吸附附劑劑只只能能對對某某種種或或幾幾種種吸吸附附質(zhì)質(zhì)發(fā)發(fā)生生化化學(xué)學(xué)吸吸附附，，因因此此化化學(xué)學(xué)吸吸附附具具有有選擇擇性性。由于于化化學(xué)學(xué)吸吸附附是是靠靠吸吸附附劑劑和和吸吸附附質(zhì)質(zhì)之之間間的的化化學(xué)學(xué)鍵鍵力力進進行行的的，，所所以以吸吸附附只只能能形形成成單分分子子吸吸附附層層。當化化學(xué)學(xué)鍵鍵力力大大時時，，化化學(xué)學(xué)吸吸附附是是不可可逆逆的。。物理理吸吸附附和和化化學(xué)學(xué)吸吸附附并并不不是是孤孤立立的的，，往往往往相相伴伴發(fā)發(fā)生生。。在水水處處理理中中，，大大部部分分的的吸吸附附往往往往是是幾幾種種吸吸附附綜綜合合作作用用的的結(jié)結(jié)果果。。由于于吸吸附附質(zhì)質(zhì)、、吸吸附附劑劑及及其其它它因因素素的的影影響響，，可可能能某某種種吸吸附附是是主主要要的的。。例例如如有有的的吸吸附附在在低低溫溫時時主主要要是是物物理理吸吸附附，，在在高高溫溫時時主主要要是是化化學(xué)學(xué)吸吸附附。。說明明6.2活性性炭炭吸吸附附水處處理理中中常常用用的的吸吸附附劑劑有有活活性性炭炭、、磺磺化化煤煤、、活活化化煤煤、、沸沸石石，，活活性性白白土土、、硅硅藻藻土土、、腐腐植植質(zhì)質(zhì)：：焦焦炭炭、、木木炭炭、、木木屑屑等等。。水處理中應(yīng)用用較廣的活性炭吸附劑劑。包括以下幾方方面內(nèi)容：活性炭的制造造活性炭的細孔孔構(gòu)造和分布布活性炭的表面面化學(xué)性質(zhì)6.2.1活性炭的制造造活性炭是用含含炭為主的物物質(zhì)(如木材、煤)作原料，經(jīng)高高溫炭化和活活化而制成的的疏水性吸附附劑，外觀呈呈黑色?；钚蕴康闹圃煸爝^程如圖6－1：圖6－1活性炭的制造造過程示意圖圖粉末狀活性炭炭粒狀活性炭（（園柱狀、球球狀），粒徑徑2～4mm棒狀活性炭：：Φ50mm，L=255mm木材、煤果殼隔絕空氣高溫炭化，600℃炭渣活性炭炭活化,800~900℃℃活化劑劑：ZnCl2炭化是把原原料熱熱解成成炭渣渣，生生成類類似石石墨的的多環(huán)環(huán)芳香香系物物質(zhì)；；活化是把熱熱解的的炭渣渣成為為多孔孔結(jié)構(gòu)構(gòu)。活活化方方法有有藥劑法法和氣氣體法法兩種。。藥劑活活化法法常用的的活化化劑有有氯化化鋅、、硫酸酸、磷磷酸等等。粉粉狀活活性炭炭多用用氯化化鋅為為活化化劑。。活化化爐用用轉(zhuǎn)爐爐。氣體活活化法法一般用用水蒸蒸氣、、二氧氧化碳碳、空空氣作作活化化劑。。粒狀狀炭多多采用用水蒸蒸氣活活化法法，以以立式式爐或或管式式爐為為活化化爐。。6.2.2活性炭炭的性性質(zhì)1.物理性性質(zhì)巨大的的比表表面積積（m2/g）——吸附性性能好好；發(fā)達的的孔隙隙結(jié)構(gòu)構(gòu)——微孔、、中孔孔、大大孔；；圖6－2活性炭炭孔隙隙分布布示意意圖a微孔尺寸<1～2nm，小孔容容積一一般為為0.15～0.90mL／g，表面面積占占比表表面積積的95％以上上。微孔的的作用用：活性炭炭小孔孔的表表面積積占比比表面面積的的95％以上上，起起吸附附作用用，吸吸附量量以小小孔吸吸附為為主。。由于活活性炭炭的原原料和和制造造方法法不同同，細細孔的的分布布情況況相差差很大大，應(yīng)應(yīng)根據(jù)據(jù)吸附附質(zhì)的的直徑徑和活活性炭炭的細細孔分分布情情況選選擇合合適的的活性性炭。。b大孔尺寸>25nm。大大孔容容積一一般為為0.2～0.5mL／g，表面面積只只有0.5～2m2／g。大孔的的作用用：占比表表面積積很小小，吸吸附量量小，，提供供通道道。它主要要為吸吸附質(zhì)質(zhì)的擴擴散提提供通通道，，使吸吸附質(zhì)質(zhì)通過過此通通道擴擴散到到過渡渡孔和和小孔孔中去去。c中孔尺寸>1～2或<25nm，過過渡孔孔容積積一般般為0.02～0.10mL／g，其表表面積積占比比表面面積的的5％以下下。中孔的的作用用:占比表表面積積<5%，吸附附量不不大，，起吸吸附作作用和和通道道作用用。即即可為吸吸附質(zhì)質(zhì)的擴擴散提提供通通道，，促使使吸附附質(zhì)通通過它它擴散散到小小孔中中去，，當吸吸附質(zhì)質(zhì)的分分子直直徑較較大時時，小小孔幾幾乎不不起作作用，，活性性炭對對吸附附質(zhì)的的吸附附主要要靠過過渡孔孔來完完成的的。粒狀炭炭和粉粉末炭炭粒狀炭炭：直直徑大大于0.1mm，利于于再生生，回回收和和再利利用方方便；；粉末炭炭：直直徑小小于0.074mm，不利利于再再生，，回收收和再再利用用困難難；密度（（視密密度、、濕密密度））、強強度2.活性炭炭的化化學(xué)性性質(zhì)活性炭炭是由由形狀狀扁平平的石石墨型型微晶晶體構(gòu)構(gòu)成的的。處處于微微晶體體邊緣緣的炭炭原子子，由由于共共價鍵鍵不飽飽和而而易與與其它它元素素如氧氧、氫氫等結(jié)結(jié)合形形成各各種含含氧官官能團團：酸酸性官官能團團和堿堿性官官能團團。酸酸性官官能團團官具具有極極性，，主要要吸附附極性性較強強的化化合物物。目前對對活性性炭含含有官官能團團(又稱表表面氧氧化物物)的研究究尤其其對堿堿性官官能團團的研研究還還不夠夠充分分，但但已證證實的的有－－OH基、－－COOH基等。。吸附性性能用用碘值值、糖糖蜜值值表示示：碘值：：在一一定條條件下下活性性炭吸吸附碘碘的量量，表表示活性性炭吸吸附小小分子子物質(zhì)質(zhì)的吸吸附性性能；；糖蜜值值：表表示活活性炭炭吸附附大分分子物物質(zhì)的的吸附附性能3.活性炭炭的吸吸附性性質(zhì)1.吸附劑劑的性性質(zhì)：：吸附附劑的的種類類、顆顆粒大大小、、比表表面積積，顆顆粒的的細孔孔構(gòu)造造與分分布、、吸附附劑是是否是是極性性分子子等。。2.吸附質(zhì)質(zhì)的性性質(zhì)：：（1）溶解解度：：越低低越容容易吸吸附，，具有有較大大的影影響。。（2）使液液體表表面自自由能能W降低得得越多多的吸吸附質(zhì)質(zhì)則越越容易易被吸吸附。。6.2.3影響活活性炭炭吸附附性能能的因因素（3）極性性：極性吸吸附劑劑易吸吸附極極性的的吸附附質(zhì)非極性性吸附附劑易易吸附附非極極性的的吸附附質(zhì)（物以以類聚聚）（4）吸附附質(zhì)分分子的的大小小和不不飽和和度。?；钚蕴刻浚阂滓孜礁椒肿幼又睆綇捷^大大的飽飽和化化合物物合成沸沸石：：易吸吸附分分子直直徑小小的不不飽和和化合合物（5）吸附附質(zhì)的的濃度度較低低時，，提高高C可增加加吸附附量。。以后C↑，q增加很小，，直至為一一定值。3.廢水的PH值活性炭一般般在酸性溶溶液中比在在堿性溶液液中吸附效效果較好。。4.共存物質(zhì)：：對于物理理吸附，共共存多種物物質(zhì)時的吸吸附比單一一物質(zhì)時的的吸附要差差。5.溫度：對于于物理吸附附，T高則不利，，吸附量減減少。6.接觸時間：：應(yīng)保證吸吸附達到平平衡時的時時間，而該該時間的大大小取決于于吸附速度度V，V大則所需時時間短。6.2.4吸附理論1.吸附等溫線線（1）吸附平衡衡當吸附質(zhì)的的吸附速率率=解吸速率（（即V吸附=V解吸），即在單單位時間內(nèi)內(nèi)吸附數(shù)量量等于解吸吸的數(shù)量，，則吸附質(zhì)質(zhì)在溶液中中的濃度C與在吸附劑劑表面上的的濃度都不不再變時，，即達到吸吸附平衡，，此時吸附附質(zhì)在溶液液的濃度C叫平衡濃度度。（2）吸附量q(g/g)衡量吸附劑劑吸附能力力大小的參參數(shù)。即達達到吸附平平衡時，單單位重量的的吸附劑（（g）所吸附的的吸附質(zhì)的的重量（g）。式中：V—廢水容積；；W—活性炭投量量，gC0—廢水吸附質(zhì)質(zhì)濃度（g/L）C—吸附平衡時時水中剩余余的吸附質(zhì)質(zhì)濃度(g/L)—平衡濃度（3）吸附等溫溫線在一定T下，q隨吸附質(zhì)的的平衡濃度度C而變化的曲曲線（q=f(C)）叫吸附等等溫線。用用數(shù)學(xué)公式式描述則叫叫吸附等溫溫式。（4）吸附等溫溫式（三種種，液相還還沒有統(tǒng)一一的理論））朗謬爾（Langmuir）公式費蘭德利希希（Freundlich）公式BET公式朗謬爾（Langmuir）公式——單一組分溶溶液中溶質(zhì)質(zhì)的吸附費蘭德利希希（Freundlich）公式——單一組分溶溶液中溶質(zhì)質(zhì)的吸附式中：K、n——常數(shù)；C——吸附質(zhì)平衡衡濃度（g/L）q——吸附量取對數(shù)：繪圖：1/n越小，吸附附性能越好好，1/n=0.1~0.5，容易吸附附；1/n>2，則難吸附附。1/n較大則采用用連續(xù)吸附附，反之采采用間歇吸吸附。BET公式——適用于兩種種及以上的的溶質(zhì)用活活性炭吸附附時式中:qo—單分子吸附附層的飽和和吸附量,g/gCs—吸附質(zhì)的飽飽和濃度,g/LB—常數(shù)；C—平衡濃度，，g/L取倒數(shù)：吸附量q的意義：選擇吸附劑劑和吸附設(shè)設(shè)備的重要要參數(shù)，q決定吸附劑劑再生周期期的長短，，q越大，再生生周期越長長，再生劑劑用量及其其費用越小小。q通過吸附試試驗來確定定。2.吸附速度指單位重量的的吸附劑在單單位時間內(nèi)吸吸附的物質(zhì)的的量。吸附速度V決定了廢水和和吸附劑的接接觸時間，V越大，則接觸觸時間越短，，所需設(shè)備容容積就越小，，反之亦然。。吸附速度決定定于吸附劑對對吸附質(zhì)的吸吸附過程。吸吸附過程一般般分為3個階段：顆粒外部擴散散階段顆粒內(nèi)部擴散散階段吸附反應(yīng)階段段?；钚蕴康奈礁剿俣却笮∈苁芟铝幸蛩赜坝绊懀喝芤簼舛菴↑，則V↑；顆粒直徑d↓，則V↑；d↓,V↑。所以，粉末末狀活性炭比比粒狀活性炭炭的吸附速度度要快，接觸觸時間短，設(shè)設(shè)備容積小。。加強攪動，則則V↑。6.3.1活性炭吸附的的功能去除臭和味去除總有機碳碳去除消毒副產(chǎn)產(chǎn)物前驅(qū)物去除揮發(fā)性有有機物人工合成有機機物的去除6.3活性炭吸附的的應(yīng)用6.3.2粉末活性炭的的應(yīng)用粉末活性炭粒粒度小、接觸觸面積大，吸吸附速度快、、效果好。但但是再生困難難，因而運行行費用較高。。6.3.3粒狀活性炭的的應(yīng)用適用于飲用水水原水受到比比較嚴重污染染需要長期使使用活性炭，，或者為了活活性炭能夠再再生時用粒狀狀活性炭濾池池。前吸附、濾后后吸附、過濾濾吸附吸附裝置形式式：固定床、移移動床、流化化床(1)固定床固定床有降流流式(又分重力式和和壓力式)，也有升流式式（或稱膨脹脹式），炭層層的膨脹變?yōu)闉?0％～15％。兩種形式式的處理效果果基本相同。。為了使炭床從從上到下都發(fā)發(fā)揮最大的吸吸附作用，即即達到吸附平平衡，生產(chǎn)上上多采用多塔塔串聯(lián)操作（（一般2～4塔)。一般固定床炭炭層高與塔直直徑的比為(2～4)：1，塔內(nèi)流速(空塔速度)采用5－10m／h。圖6-3降流式固定床床型吸附塔構(gòu)構(gòu)造示意圖這是水處理工工藝中最常用用的一種方式式。當廢水連續(xù)通通過填充吸附附劑的吸附設(shè)設(shè)備(吸附塔或吸附附池)時，廢水中的的吸附質(zhì)便被被吸附劑吸附附。因為這種種動態(tài)吸附設(shè)設(shè)備中吸附劑劑在操作中是是固定的，所以叫固定床床。吸附劑進行吸吸附和再生可可在同一設(shè)備備內(nèi)交替進行行，也可將失失效的吸附劑劑卸出，送到到再生設(shè)備進進行再生。(a)(b)(c)單床式多床串聯(lián)式多床并聯(lián)式圖6-4固定床吸附操操作示意圖(3)流動床(流化床)這種操作方式式與固定床和和移動床不同同的是在于吸吸附劑在塔內(nèi)內(nèi)處于膨脹狀狀態(tài)或流化狀狀態(tài)。被處理理的廢水與活活性炭基本上上也是逆流接接觸。用少量的炭就就可處理較多多的廢水，基基建費用低、、這種操作適適于處理含懸懸浮物較多的的廢水，不需需要進行反沖沖。流化床一般連連續(xù)卸炭連續(xù)續(xù)投炭，空塔塔速度要求上上下不混層。。保持炭層成成層狀向下移移功。為克服這個缺缺點開發(fā)出多多層流化床，，這種床每層層的活性炭可可以相混，新新炭從塔頂投投入。依次下下移，移到底底部時達到飽飽和狀態(tài)和卸卸出。6.3.4活性炭纖維的的應(yīng)用用于空氣的凈凈化、水中脫脫氮、飲用水水處理等活性炭纖維含含碳量高，孔孔隙窄、微孔孔發(fā)達，吸附附效果好，再再生容易，但但價格高。6.3.5臭氧——生物活性炭炭的應(yīng)用臭氧生物活活性炭中臭臭氧能夠氧氧化部分有有機物并能能使大分子子物質(zhì)轉(zhuǎn)化化為小分子子物質(zhì)，從從而改善了了活性炭的的吸附性能能。具有吸吸附和降解解有機物的的雙重功能能。但生物活性性炭受溫度度影響大，，冬季不宜宜運行，而而且耗電量量大等缺點點。6.4活性炭的再再生1.再生的目的的就是在吸附附劑本身結(jié)結(jié)構(gòu)不發(fā)生生或極少發(fā)發(fā)生變化的的情況下，，用某種方方法將吸附附質(zhì)從吸附附劑的細孔孔中除去，，以便能夠夠重復(fù)使用用。2.再生方法（1）加熱再生生法：由脫脫水、干燥燥、炭化，，活化、冷冷卻等5步組成（2）藥劑再生生法：無機機酸或NaOH，有機溶劑劑（苯、丙丙酮等）（3）化學(xué)氧化化法：電解解氧化法，，O3氧化法，濕濕式氧化法法。（4）生物法：：利用微生生物的作用用，將被活活性炭吸附附的有機物物加以氧化化分解。(1）加熱再生生法加熱再生法法分低溫和高溫兩種方法。。低溫適于吸附濃濃度較高的的簡單低分分子量的碳碳氫化合物物和芳香族族有機物的的活性炭的的再生。多多采用水蒸蒸氣再生。。高溫適于水處理理粒狀炭的的再生1）高溫加熱熱再生分5步進行：脫水：使活性炭和和輸送液體體進行分離離。干燥：加溫到100℃～150℃，將吸附在在活性炭細細孔中的水水分蒸發(fā)出出來，同時時部分低沸沸點的有機機物也能夠夠揮發(fā)出來來。碳化：加熱到300℃～700℃，高沸點的的有機物由由于熱分解解，一部分分成為抵沸沸點的有機機物進行揮揮發(fā)：另一一部分被炭炭化，留在在活性炭的的細孔中。?；罨簩⑻炕粼谠诨钚蕴考毤毧字械臍垰埩籼浚糜没罨瘹怏w體(如水蒸氣、、二氧化碳碳及氧)進行氣化，，達到重新新造孔的目目的?；罨瘻囟纫话惆銥?00℃～1000℃。冷卻：活化后的活活性炭用水水急劇冷卻卻，防止氧氧化活性炭高溫溫加熱再生生系統(tǒng)由再再生爐、活活性炭貯罐罐、活性炭炭輸送及脫脫水裝置等等組成。如如圖所示。。活性炭漿池池泥漿泵失效炭脫水罐螺旋傳送器廢氣處理裝置再生爐水蒸汽冷卻罐再生炭儲罐炭末排水再生炭干式加熱再再生系統(tǒng)高溫加熱再再生法的優(yōu)優(yōu)缺點優(yōu)點：①幾乎所有有有機物都都可以采用用此法；②再生炭質(zhì)質(zhì)量均勻，，再生性能能恢復(fù)率高高，一般在在95％以上；③再生時間間短，粉狀狀炭需幾秒秒鐘。粒狀狀炭30～60min④不產(chǎn)產(chǎn)生生有有機機再再生生廢廢液液。。缺點點：：①再再生生損損失失率率高高，，再再生生一一次次活活性性炭炭損損失失率率達達3％-10％；；②在在高高溫溫下下進進行行，，再再生生爐爐內(nèi)內(nèi)內(nèi)內(nèi)襯襯材材料料的的耗耗量量大大；；③需需嚴嚴格格控控制制溫溫度度和和氣氣體體條條件件；；④再再生生設(shè)設(shè)備備造造價價高高。。(2）藥藥劑劑再再生生法法1)無機機藥藥劑劑再再生生法法用無無機機酸酸(H2SO4、HCl)或堿堿(NaOH)等無無機機藥藥劑劑使使吸吸附附在在活活性性炭炭上上的的污污染染物物脫脫附附。。例如如:吸附附高高濃濃度度酚酚的的飽飽和和炭炭，，用用NaOH再生生，，脫脫附附下下來來的的酚酚為為酚酚鈉鈉鹽鹽，，可可回回收收