9 活性炭吸附水的除氟.ppt

19.2 活性炭吸附 n19.2.1 吸附概述 n19.2.2 活性炭吸附 n19.2.3 活性炭吸附的应用 n19.2.4 活性炭吸附操作方式 n19.2.5 活性炭的再生 No. 2 19.2.1 吸附概述 n1 吸附概念 n2 吸附机理 n3 吸附分类 n4 等温吸附的经验方程 No. 3 1 吸附概念 n吸附在相界面上，物质的浓度自动发生累积 或浓集的现象。 n在水处理中是固体物质表面对水中物质的吸附作 用。 n吸附法利用多孔性的固体物质，使水中的一 种或多种物质被吸附在固体表面而去除的方法。 n吸附剂 具有吸附能力的多孔性固体物质。 n吸附质水中被吸附的物质。 n脱 附吸附在吸附剂机剂表面的吸附质从吸 附剂表面脱落。 No. 4 2 吸附机理 n吸附过程是一个自发过程。 n原因：分子间和分子内键与健之间存在作用力 （吸附力）。 n吸附作用：化学作用和物理化学作用（包括氢键 、偶极矩作用和范德华力)。 No. 5 1、物理吸附吸附剂和吸附质之间通过分子间力产生的 吸附。 其吸附热较小，在低温下就能进行。 可形成单分子吸附层或多分子吸附层。 一种吸附剂可吸附多种吸附质。 2、化学吸附吸附剂和吸附质之间发生的化学作用，是 由于化学键力引起的。 n在较高温度下进行，吸附热较大。 n化学吸附具有选择性。 n吸附只能形成单分子吸附层。 n化学吸附是不可逆的。 3 吸附分类 No. 6 n在水处理中，大部分的吸附往往是几种吸附综合 作用的结果。 n由于吸附质、吸附剂及其它因素的影响，可能某 种吸附是主要的。例如有的吸附在低温时主要是 物理吸附，在高温时主要是化学吸附。 3 吸附分类 No. 7 v吸附容量达到吸附平衡时，每克活性炭所吸附的溶 质量。即： 吸附等温线：单位吸附剂的吸附容量qe和平衡溶液浓度Ce 之间的关系曲线。 4 等温吸附的经验方程 初始浓度Ci 平衡浓度Ce V Vmg碳 No. 8 Freundlich吸附等温式是一个经验公式，表达形式为： 对等式两边取对数可将等式 线性化为: 4 等温吸附的经验方程 qe Ce lgqe lgCe lgK 1/n No. 9 19.2.2 活性炭吸附 1 活性炭简介 2 活性炭的吸附性质 3 影响活性炭吸附的因素 4 活性炭的吸附特性 No. 10 1 活性炭简介 n 活性炭分类 n 活性炭的制备 n 活性炭细孔构造和分布 No. 11 1 活性炭简介 n 活性炭分类： 粉末炭（PAC）： n 优点： 吸附速度快、吸附效果好。 在水质恶化的季节，能够迅速去除水中的臭、味等。 所需要的基建费用比较低。 n 缺点： n冲击负荷适应性差，吸附能力未被充分利用。 n污泥处理困难，作业环境恶劣 n再生困难，常常只使用一次，所以运行费用较高。 n适用条件 建造颗粒炭床困难的情况及短期应急措施 No. 12 1 活性炭简介 n 活性炭分类： 粒状炭（GAC） 优点： 吸附量大，可定期再生， 出水水质效果好。 缺点： 基建投资大。 适用场所： 长期、有建设场地处，出水 水质要求较高时。 No. 13 1 活性炭简介 n活性炭的制备 n活件炭是用含炭为主的物质(如木材、煤)作原料，经高 温 炭化和活化而制成的疏水性吸附剂，外观呈黑色。 v 炭化：隔绝空气条件下对原材料加热，热解成炭渣，温 度在600以下 。 活化：氧化剂的作用下，对炭化后的材料加热，以形 成多孔结构产品 。 温度在800900时，用蒸汽或二氧化碳为氧化剂 温度在600以下时， 用空气做氧化剂 No. 14 活性炭的细孔构造和分布 n以碳作骨架结构的 黑色固体物质。活 性炭的发达孔隙， 表面积极大， n活性炭的表面积达 5001700m2/g碳 。具有良好的吸附 特性。 n细孔:表面积占整个 表面积的95以上 。 n过渡孔：其表面积 占5以下。 n大孔：表面积只有 0.52m2/g No. 15 n大孔的作用 n扩散通道，吸附质通过此通道扩散到过渡孔和小 孔中去。 n过渡孔的作用 n提供通道，促使吸附质通过它扩散到小孔中起作用，活 性炭对大分子吸附质的吸附主要靠过渡孔来完成的。 n小孔的作用 吸附量主要受小孔支配。 活性炭的细孔构造和分布 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，V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) 溶液浓度C，则U 颗粒直径d，则U 加强搅动，则U 而颗粒内部扩散速度V=f（细孔大小与构造，吸 附质的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。 吸附的影响因素 1.吸附剂的性质 吸附剂的种类、颗粒大小、比表面积，颗粒的 细孔构造与分布、吸附剂是否是极性分子等。 2.吸附质的性质 （1）溶解度：越低越容易吸附，具有较大的影响 。 （2）使液体表面自由能W降低得越多的吸附质则 越容易被吸附。 （3）极性 极性吸附剂易吸附极性的吸附质。 （物以类聚 ） 非极性吸附剂易吸附非极性的吸附质。 （4）吸附质分子的大小和不饱和度。 活性炭：易吸附分子直径较大的饱和化合物 合成沸石：易吸附分子直径小的不饱和化合物 （5）吸附质的浓度较低时，提高C可增加吸附量 。 以后C，q增加很小，直至为一定值。 3.废水的PH值 活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液中吸附效果 较好。 4.共存物质：对于物理吸附，共存多种物质时的吸附 比单一物质时的吸附要差。 5.温度：对于物理吸附，T高则不利，吸附量减少。 6.接触时间：应保证吸附达到平衡时的时间，而该时 间的大小取决于吸附速度V，V大则所需时间短。 No. 21 2 活性炭的吸附性质 n活性炭吸附性质的参数：碘值、糖蜜值 碘值：在一定条件下活性炭吸附碘的量，表 示活性炭对小分子物质的吸附性能； 糖蜜值则表示活性炭对大分子物质的吸附性 能。 评价活性炭的吸附性能：如四氯化碳吸附值 、亚甲基蓝指数、苯酚吸附值 No. 22 3 影响活性炭吸附的因素 1) 吸附质的性质 吸附质的性质及活性炭的性质共同决定了活性炭对这种 吸附质的吸附性能。 n分子的疏水性越强越容易被吸附。 n分子量增大到一定程度后，平衡吸附量难以进入孔隙 中而降低。 n对非极性分子以及中性分子的吸附能力大于对极性分 子的吸附能力。 容易吸附和不易吸附的有机物 容易吸附的有机物不易吸附的有机物 芳香族溶剂，如苯、甲苯、硝基苯低分子有机物、如酮、酸 氯代芳香化合物，如氯酚糖类、淀粉 多球芳香化合物大分子有机物或者胶体 杀虫剂及除草剂，如莠去津 氯化物，如四氯化碳，三氯乙烯、溴仿 高分子烃类，如燃料，汽油、腐殖酸等 低分子脂肪化合物 No. 24 3 影响活性炭吸附的因素 2) 2) 其他因素其他因素 n pH值：如苯酚，当pH6时，苯酚很容易被吸附 ，当pH10时，苯酚大部分电离为离子状态容 易脱附下来 n无机沉淀：如铁、镁、钙等，在活性炭表面可能 形成沉淀，这些沉淀往往会阻碍吸附的进一步发 生。 No. 25 4 活性炭的吸附特性 1) 1) 去除微量有机物去除微量有机物 v腐殖酸可与其他有机物一起在氯消毒中形成氯仿、 四氯化碳等，活性炭具有去除其的良好性能。 v异 臭活性炭对植物性臭、鱼腥臭、芳香臭、土臭 等处理有效。 v色 度对水生植物和藻类产生的色度有较好的去除 效果。 v农药、烃类化合物（石油） v氯化致突变前驱物（THM）高分子有机物。 No. 26 4 活性炭的吸附特性 2) 2) 去除水中部分无机物去除水中部分无机物 v重金属六价铬、银、汞、铅、镍。 v余 氯活性炭对氯和氯胺作用是化学反应。 v氰化物、放射性物质 v氨氮活性炭对氨氮无去除效果，臭氧联用， 有一定效果。 No. 27 19.2.3 活性炭吸附的应用 1 活性炭在水处理中的应用 臭和味的去除 总有机碳 （TOC）的去除 消毒副产物(DBPs）前驱物的去除 挥发性有机物(VOCs）的去除 人工合成有机物（SOCs）的去除 城市污水深度处理 高浓度有机废水深度处理 重金属离子去除 No. 28 19.2.3 活性炭吸附的应用 2 粉末炭的应用 原水突发性或季节性出现污染物增高、异味、异臭 和 THM前驱物浓度很高时，作为应急措施投加粉末活性 炭。 投加于絮凝沉淀或澄清前，接触吸附水中微污染物 后， 经沉淀、过滤去除。 投加点的选择： 水厂的吸水口 快速混合器前 沉淀池出水处 滤池的进水处 No. 29 19.2.3 活性炭吸附的应用 3 粒状活性炭的应用 v 颗粒活性炭吸附在滤池后除去有机污染物、 THM 前驱物、异味、臭味。 v 臭氧活性炭工艺：活性炭滤池。臭氧作用：改变 大 分子有机物的性质和结构，利于微孔吸附；给滤池中 的 微生物提供溶解氧。 No. 30 19.2.4 活性炭吸附操作方式 n1）静态吸附 n在废水不流动的条件下，进行的吸附操作。 n2）动态吸附 n动态吸附是在废水流动条件下进行的吸附操作。 n固定床 n移动床 n流化床 活性炭吸附泄漏曲线 No. 32 No. 33 (a) (b) (c) 固定床吸附操作示意图 单床式 多床串联式 多床并联式 串并联比较串并联比较 并联系统一般使用34个活性炭柱，所用水泵 扬程低，动力费用省； 串联系统适用于泄漏曲线坡度较小、处理单位 水量的用炭量较大、要求出水水质较好的情况 。 No. 29 No. 35 (2) 移动床 n移动床的操作方式是水从吸附塔底部进入，由塔 顶流出。塔底部接近饱和的某一段高度的吸附剂 间歇地排出，再生后从塔顶加入。 n n这种型式的优点是占地面积小，连接管路少，基 本上不需要反冲洗。缺点是难于均匀排出炭层， 操作要求较高，不能使塔内吸附剂上下层互混。 n n目前较大规模的废水处理多采用。 No. 36 (3)流动床(流化床) n这种操作方式与固定床和移功床不同的地方在于吸附剂 在塔内处于膨胀状态或流化状态。被处理的废水与活性 炭基本上也是逆流接触。 n用少量的炭就可处理较多的废水，基建费用低、这种操 作适于处理含悬浮物较多的废水，不需要进行反冲。 n流化床一般连续卸炭连续投炭，空塔速度要求上下不混 层。保持炭层成层状向下移功，所以远行操作要求严倍 。 n为克服这个缺点开发出多层流化床，这种床每层的活性 炭可以相混，新炭从塔顶投入。依次下移，移到底部时 达到饱和状态和卸出。 No. 37 19.2.5 活性炭的再生 用某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的细孔中除去 ， 以达到能重复使用的目的。 1.加热再生法：由脱水、干燥、炭化，活化、冷却等 5步组成。 2.药剂再生法：无机酸或NaOH，有机溶剂（苯、丙 酮等）。 3.化学氧化法：电解氧化法，O3氧化法，湿式氧化 法。 4.生物法：利用微生物的作用，将被活性炭吸附的有 机物加以氧化分解。 No. 38 n活性炭高温加热再生系统由再生炉、活性炭贮罐、活性 炭输送及脱水装置等组成。 活性炭 浆池 泥浆泵 失效炭 脱水罐 螺旋传送器 废气处理 装置 再生炉 水蒸汽 冷却罐 再生炭储罐 炭末 排 水 再生炭 干式加热再生系统 19.2.6 吸附塔的设计 10.4.1 博哈特亚当斯计算法 1.博哈特亚当斯方程式 式中：t工作时间，h； V线速度，即空塔速度，m/h； h炭层高度，m； Co进水吸附质浓度，kg/m3 Ce出水吸附质允许浓度，kg/m3 K速率系数，m3/（kgh）； No吸附容量，即达到饱和时吸附剂的吸附量（kg/m3） 。 1，上式等号右边括号内的1 可忽略不计，则工作时间t： 临界高度ho：当t=0时，保证出水吸附质浓度 C不超过Ca（穿透浓度）时的吸附剂层的理论 高度 ho即吸附带高度，ho吸附反应越快。 2.模型试验求临界高度ho 截距： ； ； ； 线速度（m/h）；以不同的V进行上述试验， 将不同V时的No、K、ho作图，可分别得出K V、NoV、hoV三条曲线。 3.吸附塔设计 已知废水设计流量Q（m3/h），原水吸附质 浓度Co，出水吸附质允许浓度Ce。 （1）吸附工作时间t吸附柱出水达到穿透点 的时间，线速度 （m/h）查图得出K、No、 ho （小时） （2）活性炭每年更换次数n（吸附剂再生次数 ） （次/a） （3）活性炭年消耗量W （m3/a） （4）吸附质年去除量G（kg/a）： ，Co、Ce均以mg/L为单位 (kg/a) (5)吸附效率E 式中： No达到饱和时吸附剂的吸附量，（kg/m3 ） h炭层高度； ho临界高度 则 ： 碳滤池 碳滤池 除氟方法 卫生标准规定，氟化物含量不超过1.0mg/L 。 含氟原水pH值常大于7.5。 除氟方法： v吸附过滤法吸附剂：活性氧化铝、骨炭、 活性炭和磷酸三钙； v膜法电渗析和反渗透，也去除水中的其他 离子，尤其适合于含氟苦咸水的淡化。 v絮凝沉淀法投加混凝剂，生成絮体而吸附 氟化物。混凝剂：铝盐。 v离子交换法利用螯合有铝离子的胺基磷酸 树脂对氟离子有极好的吸附效果。 19.3 水的除氟 除氟方法 19.3 水的除氟 目前常用：活性氧化铝、电渗析、絮凝沉淀 。 水量大活性氧化铝法 含氟量偏低可采用絮凝沉淀法 方法处理水量原水含盐量出水含盐量pH 值水利用 率 活性氧化铝 电渗析 絮凝沉淀 大 小 小 无要求 50010000 含量低 不变 200mg/L 增高 67 无要求 6.5 7.5 高 低 高 除氟方法的特点和比较 活性氧化铝法 活化 除氟 再生 19.3 水的除氟 活性氧化铝法 活性氧化铝是吸附剂，具有很大的表面积。 活性氧化铝对阴离子的吸附交换顺序： 3. 影响活性氧化铝吸附能力的主要因素 v原水pH 值影响较大， pH =5.5时，吸氟容