第六章、活性炭吸附

PAGEPAGE10第六章、活性炭吸附活性炭吸附是有效的去除水的臭味、天然和合成溶解有機物、微污染物質(zhì)等TOCTOXTTHM一、活性炭性能1活性炭幾乎可以用含有碳的任何物質(zhì)做原材料來制造，這包括木材、鋸末、煤、泥炭、果殼、果核、蔗渣、骨、石油腳、皮革廢物、紙廠廢物等等。近來有的國家傾向于用天然煤和焦炭制造粒狀活性炭?；钚蕴康闹圃旆殖商蓟盎罨瘍刹健?00℃片，并重新集合成穩(wěn)定的結構?；罨窃谟醒趸瘎┑淖饔孟?，對碳化后的材料加熱，以生產(chǎn)活性炭產(chǎn)品。當氧化過程的溫度在800～900℃時，一般用蒸氣或CO2為氧化劑，當氧化溫度在600℃以下時，一般用空氣做氧化劑。對于活化過程所起的作用， 目前只有大致的理解。在活化過程中，燒掉了碳化時吸附的碳氫化合物，把原有孔隙邊的碳原子燒掉，起了擴大孔隙的作用，并把孔隙與孔隙之間燒穿?；罨够钚蕴砍梢环N良好的多孔結構，碳化及活化后的微晶片結構示意見圖6－2。2、活性炭的性質(zhì)活性炭分成粉末狀及粒狀的兩種類型以供不同的用途。每克活性炭的表面積1000m2，99.9％附能力即在于它具有這樣巨大的吸附比表面積。去除水中有機物。當吸附能力飽和后，通過再生以恢復共吸附能力。粉末活性炭一般與混凝劑一起直接投加于水中，經(jīng)混合吸附后分離出的間歇處理以及粉末活性炭投加量不高時。活性炭對于某一種物質(zhì)的吸附能力與活性炭的原材料性質(zhì)、碳化及活化的整個過程、吸附的環(huán)境因素以及再生操作過程都有密切的關系。圖6－2 活性炭的微晶片結構示二、吸附等溫線為了確定活性炭對水中某種成分的吸附能力，需進行吸附試驗以獲得吸附等溫線。在燒杯中裝入體積為V的原水，其中所含的擬被去除成分的濃度為Ci（mg/L），m（mg）CeCem（6－3），CiCe。由試驗結果就可以畫出吸附等溫線來。Cem（mg）V（Ci－Ce）mg，因而每毫克活性炭所吸附的雜質(zhì)量為：（6－1）式中x代表被吸附的雜質(zhì)毫克數(shù)，x/m代表活性炭吸附容量。Cex/mx/mCeT（6－2）當試驗的溫度T不變時，x/m僅是Ce的函數(shù)，即：（6－3）圖6－3 活性炭的吸附過程x/mCe炭用于不同樣的原水，所得的吸附等溫線都可能是不一樣的。常見的吸附等溫線有三種類型，每種類型相應于一種吸附公式，如圖6－4所示。圖6－4 吸附等溫線LangmuirBranauer、EmmettTeller(BET)FreundlichFreundlich（6－4）Kfn求吸附公式中的常數(shù)時，可將式（6－4）變?yōu)椋海?－5）6－5，n。圖6－5 求Freundlich公式的常數(shù)由吸附等溫線可以比較不同活性炭對各種溶質(zhì)的吸附效果，并由此計算所需CiCe（mg/L） （6－6）qeCe三、活性炭吸附柱試驗活性炭池設計時，水和炭的接觸時間以及泄漏時間是兩個重要的參數(shù)。①接量一定時，從活性炭池開始進水到出水開始不符合水質(zhì)要求時所經(jīng)歷的時間。當設計流量確定后，由接觸時間可計算活性炭床厚度和確定活性炭池的容積；由泄漏時間可計算活性炭床的利用率及再生系統(tǒng)的規(guī)模。一般接觸時間短，則活性炭床容積小，但泄漏時間提前以致再生周期較短；接觸時間長，則活性炭床容積較大，但可延緩泄漏時間，延長再生周期。通常通過活性炭吸附柱試驗來確定炭床容積和再生頻率的選擇?；钚蕴课街邢铝腥N類型：重力固定床、壓力固定床以及流化床，如圖6－6所示。無論哪一種類型，進水都是先經(jīng)過吸附有機物最多的那部分活性炭。圖6－6 活性炭吸附柱的類型活性炭吸附柱的高度與吸附柱吸附過程的相關關系定義了一個吸附帶的高柱的產(chǎn)水量與相應的運行時間間的關系繪成曲線，則得到圖6－7的吸附過程曲線6－7Cb（tb）時，吸附柱即停止運行，柱內(nèi)的活性炭需經(jīng)CbVb，tbCb的吸附柱繼續(xù)通過原水，出水的有機物濃度將迅速上升，以致很快接近進水濃度Ci，說明吸附柱的能力已經(jīng)耗竭。圖6－7 吸附柱的泄漏和耗竭曲線圖中泄漏點所對應的吸附柱所吸附有機物總量為吸附柱的有效容量，耗竭點所對應的吸附柱所吸附有機物總量為吸附柱所具有的總吸附能力。6－7CbCxSCbCx06－80Ci。整個吸吸附柱高度的關系。圖6－8 泄漏耗竭曲線的物理意義6－8δtbtx厚度稱為吸附帶。CxCbCb0，當吸附帶到達柱底后，它只能CxCb6－8Vbtbδδ（6－7）式中，L——炭床厚度（m）；tb——從開始進水到吸附柱泄漏的時間；tx——從開始進水到吸附柱耗竭的時間。吸附帶厚度受下列因素影響：流量越大，吸附帶厚度越大，則炭床的利用率下降；活性炭的粒徑減小，吸附帶的厚度也減小，則炭床的利用率提高。0.8～1.7mm吸附帶的厚度。四、活性炭的再生活性炭再生的目的是恢復活性炭的吸附活性。所謂再生，就是在吸附劑本身結構不發(fā)生成極少發(fā)生變化的情況下，用某種方法將被吸附的物質(zhì)，從吸附劑的孔隙中除去，以達到能夠重復使用的目的?；钚蕴康脑偕饕幸韵聨追N方法：1、加熱再生法加熱再生法分低溫和高溫兩種方法。前者適用于吸附濃度較高的簡單低分子量的碳氫化合物和芳香族有機物的活性炭的再生。由于沸點較低，一船加熱到200℃即可脫附。多采用水蒸汽再生，再生可直接在塔內(nèi)進行。被吸附有機物脫附后可利用。后者適于水處理粒狀炭的再生。高溫加熱再生過程分5步進行：脫水使活性炭和輸送液體進行分離。干燥100～150℃，點的有機物也能夠揮發(fā)出來。炭化300～700℃，物進行揮發(fā)；另—部分被炭化，留在活性炭的細孔中。活化將炭化留在活性炭細孔中的殘留炭，用活化氣體（如水蒸氣、二氧化碳及氧）進行氣化，達到重新造孔的目的?；罨瘻囟纫话銥?00～1000℃。冷卻活化后的活性炭用水急劇冷卻，防止氧化?；钚蕴扛邷丶訜嵩偕到y(tǒng)由再生爐、活性炭貯罐、活性炭輸送及脫水裝置等組成。95％以上；③再生時間短，粉狀炭需幾秒鐘，粒30～60min；④不產(chǎn)生有機再生廢液。缺點有：①再生損失率高，再生一次活性炭損失率達3％一10％；②在高溫下進行，再生爐內(nèi)內(nèi)襯材料的耗量大；③需嚴格控制溫度和氣體條件；④再生設備造價高。2、藥劑再生法藥劑再生法可分為無機藥劑再生法和有機溶劑再生法兩類。無機藥劑再生法用無機酸（H2SO4、HCl）或堿（NaOH）等無機藥劑使吸附在活性炭上的污染NaOH回收利用。有機溶劑再生法用苯、丙酮及甲醇等有機溶劑萃取吸附在活性炭上的有機物。例如吸附含二硝基氯苯的染料廢水飽和活性炭，用有機溶劑氯苯脫附后，再用熱蒸汽吹掃氯苯，脫附率可達93％。藥劑再生可在吸附塔內(nèi)進行，設備和操作管理簡單，但藥劑再生，一般隨再生次數(shù)的增加，吸附性能明顯降低，需要補充新炭，廢棄一部分飽和炭。3、化學氧化法電解氧化法將碳作陽極，進行水的電解，在活性炭表面產(chǎn)生的氧氣把吸附質(zhì)氧化分解。臭氧氧化法利用強氧化劑臭氧，將吸附在活性炭上的有機物加以分解。第三節(jié)、中和一、概述1、酸堿廢水的來源酸性工業(yè)廢水的來源化工廠、化纖廠、電鍍廠、煤加工廠及金屬酸洗車間等都排出酸性廢水。有的廢水含無機酸，有的含有機酸，有的同時含無機酸和有機酸。含酸廢水濃度差別很大，從小于1％到10％以上。堿性工業(yè)廢水的來源印染廠、金屬加工廠、煉油廠、造紙廠等排出堿性廢水，其中有有機堿，也有無機堿，濃度可高達百分之幾。廢水中除含酸或堿外，還可能含有酸式鹽、堿式鹽，以及其他的無機和有機等物質(zhì)。2、酸堿廢水的危害酸具有腐蝕性，能夠腐蝕鋼管、混凝土、紡織品，燒灼皮膚，還能改變環(huán)境pH要進行無害化處理。當酸或堿廢水的濃度很高時，例如在3％～5％以上，應考慮回用和綜合利用的可能性，例如用其制造硫酸亞鐵、硫酸鐵、石膏、化肥，也可以考慮供其他工廠使用等。當濃度不高（例如小于3％），回收或綜合利用經(jīng)濟意義不大時，才考慮中和處理。3、中和處理的應用pH機酸或無機堿。在工業(yè)廢水處理中，中和處理常用于以下幾種情況：pHpH7pHpHPH4、中和方法酸性廢水的中和方法可分為酸性廢水與堿性廢水互相和、藥劑中和及過濾中3等。選擇中和方法時應考慮下列因素：含酸或含堿廢水所含酸類或堿類的性質(zhì)、濃度、水量從其變化規(guī)律。首先應尋找能就地取材的酸性或堿性廢料，并盡可能加以利用。本地區(qū)中和藥劑和濾料(如石灰石、白云石等)的供應情況。PH5、中和劑酸性廢水中和處理采用的中和劑有石灰、石灰石、白云石、蘇打、苛性鈉等。堿性廢水中和處理則通常采用鹽酸和硫酸。二、酸堿廢水互相中和法1利用酸性廢水和堿性廢水互相中和時，應進行中和能力的計算。中和時兩種廢水的酸和堿的當量數(shù)應相等，即按當量定律來計算，公式如下：Q1C1＝Q2C1 （6－8）式中，Ql——酸性廢水流量，L/h；Cl——酸性廢水酸的當量濃度，克當量/L；Q2——堿性廢水流量，L/h；C2——堿性廢水堿的當量濃度，克當量/L。在中和過程中，酸堿雙方的當量恰好相等時稱為中和反應的等當點。強酸強pH7.0解，盡管達到等當點，但溶液并非中性，pH2、中和設備中和設備可根據(jù)酸堿廢水排放規(guī)律及水質(zhì)變化來確定。pH道、混合槽)內(nèi)進行連續(xù)混合反應。pHtl～2h算：V＝（Q1＋Q2）t （6－9）式中，V——中和池有效容積Ql——酸性廢水設計流量，m3/h；Q2——堿性廢水設計流量，m3/h；t——中和時間，h。pH污水排放周期（如一班或一晝夜）中的廢水量計算。中和池至少兩座（格）用。在間歇式中和池內(nèi)完成混合反應、沉淀、排泥等工序。三、藥劑中和法1、酸性廢水的藥劑中和處理中和劑酸性廢水中和劑有石灰、石灰石、大理石、白云石、碳酸鈉、苛性鈉、氧化鎂等。常用者為石灰。當投加石灰乳時，氫氧化鈣對廢水中雜質(zhì)有凝聚作用，因此適用于處理雜質(zhì)多濃度高的酸性廢水。在選擇中和劑時，還應盡可能使用一些工業(yè)廢渣，如：①化學軟水站排出的廢渣（白堊），其主要成分為碳酸鈣；②有機化工廠或乙炔發(fā)生站排放的電石皮渣，其主要成分為氫氧化鈣；③鋼廠或電石廠篩下的廢石灰；④熱電廠的爐灰渣或硼酸廠的硼泥。中和反應石灰可以中和不同濃度的酸性廢水，在采用石灰乳時，中和反應方程式如下：廢水中含有其他金屬鹽類，如鐵、鉛、鋅、銅、鎳等也消耗石灰乳的用量，反應如下：最常遇到的是硫酸度水的中和，根據(jù)使用的藥劑不同，中和反應方程式如下：中和后生成的硫酸鈣在水中的溶解度很小，此鹽不僅形成沉淀，而且當硫酸濃度很高時，在藥劑表面會產(chǎn)生硫酸鈣的覆蓋層，影響和阻止中和反應的繼續(xù)進行。所以當采用石灰石，白堊或白云石做中和劑時，藥劑顆粒應在0.5mm以下。中和反應產(chǎn)生的鹽類及藥劑中惰性雜質(zhì)以及原廢水中的懸浮物一般用沉淀法去除。藥劑中和處理工藝流程廢水量少時(每小時幾噸到十幾噸)宜采用間歇處理，兩、三池(格)交替工pHpH4～5。藥劑中和6－9圖6－9 藥劑中和處理工藝流2、堿性廢水的藥劑中和處理中和劑堿性廢水中和劑有硫酸、鹽酸、硝酸等。常用的藥劑為工業(yè)硫酸，工業(yè)廢酸更經(jīng)濟。有條件時，也可以采取向堿性廢水中通人煙道氣（CO2、SO2）法加以中和。中和反應以含氫氧化鈉和氫氧化銨堿性廢水為例，中和劑用工業(yè)硫酸，其化學反應如下：如果硫酸銨的濃度足夠，可考慮回收利用。以含氫氧化鈉堿性廢水為例，用煙道氣中和，其化學反應如下：CO224％，SO2H2S。煙道氣如果PH10～12耗氧量、水溫等指標都升高，還需進一步處理。四、過濾中和法過濾中和法僅用于酸性廢水的中和處理，酸性廢水流過堿性濾料時與濾料進行中和反應的方法稱為過濾中和法。堿性濾料主要有石灰石、大理石、白云石等。3分述如下：1、普通中和濾池適用范圍過濾中和法較石灰藥劑法具有操作方便，運行費用低及勞動條件好等優(yōu)點。但不適于中和濃度高的酸性廢水。對硫酸廢水，因中和過程中生成的硫酸鈣在水中溶解度很小，易在濾料表面形成覆蓋層，阻礙濾料和酸的接觸反應，因此極限濃度應根據(jù)試驗決定。2g/L，5g/L因為濃度過高，濾料消耗快，給處理造成一定的困難，因此極限濃度可采用20g/L；另外，廢水中鐵鹽、泥砂及惰性物質(zhì)的合量亦不能過高，否則會使濾池堵塞。中和酸性廢水常用的濾料有石灰石、白云石及白堊等。普通中和濾池的形式普通中和濾池為固定床。濾池按水流方向分為平流式和豎流式兩種，目前多用豎流式。豎流式又可分為升流式和降流式兩種，見圖6－10。圖6－10 普通中和濾池30～50mm，不得混有粉料雜質(zhì)。1～1.5m/h，5m/h，10min，1～1.5m。2、升流式膨脹中和濾池升流式膨脹中和濾池，廢水從濾池的底部進人，從池頂流出，使濾料處于膨脹狀態(tài)。升流式膨脹中和濾池又可分為恒濾速和變?yōu)V速兩種。6－119～12mm，孔距和孔數(shù)可根據(jù)計算確定。卵石承托層厚0.15～0.2m20～40mm0.5～3mm，濾層高度應根據(jù)1.0—1.2m2.0m1m，2m3～3.5m。為使濾料處于膨脹狀態(tài)并互相摩擦，不結垢，垢屑隨水流出，避免濾床堵60～80m/h，50％左右。上部清水區(qū)高度為m。中和濾池至少有—池備用，以供倒床換料。2200mg/LpH4.2～5CO2pH6～6.502～4pH＜4.2料量大時，加料和倒床須考慮機械化，以減輕勞動強度。圖6－11 恒濾速升流式膨脹中和濾池pH較)。缺點是廢水的硫酸濃度不能太高，需定期倒床，勞動強度較高。3、過濾中和滾筒過濾中和滾筒如圖6－12所示。圖6－12 過濾中和滾筒1rn以上，長度為直徑的6～70.3～0.5m/s，10～20r/min。筒和旋轉軸向出水0.5～1°，濾料粒徑可達十幾毫米，裝料體積占筒體體積的一半。筒內(nèi)CO2。這種裝置的優(yōu)點是進水硫酸濃度可超過極限值數(shù)倍，濾料不必破碎到很小粒徑，但構造復雜，動力費用高，運行時設備噪音較大。第四節(jié)、化學沉淀一、概述向工業(yè)廢水中投加某種化學物質(zhì)，使它和其中某些溶解物質(zhì)產(chǎn)生反應，生成難溶鹽沉淀下來，這種方法稱為化學沉淀法，它一般用以處理含金屬離子的工業(yè)廢水。MmNn（固體）的飽和溶液中，各種離子濃度的乘積為—常數(shù)，稱為溶度積LMmNn，有：式中，Mn+表示金屬陽離子，Nm-表示陰離子，[ ]表示摩爾濃度（mol/L）。若有：則溶液過飽和，超過飽和那部分將析出沉淀。Mn+Nm-MmNnMn+離子的濃度。通常稱具有這種作用的化學物質(zhì)為沉淀劑。從上式可以看出，為了最大限度地使[Mn+]mMn+全地被去除，可以考慮增大[Nm-]n20％～50％。根據(jù)使用的沉淀劑的不同，化學沉淀法可分為石灰法、氫氧化物法、硫化物法、鋇鹽法等。二、氫氧化物沉淀法1、原理工業(yè)廢水中的許多金屬離子可以生成氫氧化物沉淀而得以去除。氫氧化物的沉淀與pH值有很大關系。加以M(OH)n表示金屬氫氧化物，則有：同時發(fā)生水的解離：水的離子積為：代入其溶度積常數(shù)公式得：將上式兩邊取對數(shù)，則得到