水质工程学吸附全解PPT学习教案

1、会计学1 水质工程学吸附全解水质工程学吸附全解 一、吸附的定义 二、吸附的原因 三、吸附的种类 四、吸附的特征 第1页/共59页 在相界面上，物质的浓度自动发生富集的现象称 为吸附，它可以发生在不同相界面上。 废水处理中，主要利用固体物质对液相中污染物质 的吸附作用。 吸附法(工艺)：利用多孔性的固体物质，使废水 中一种或多种污染物吸附于固体表面而得到去除。 吸附剂具有吸附能力的多孔性固体物质。 吸附质(废水中)被吸附的物质。 第2页/共59页 由表面张力与表面能的变化引起，具体可参 见物理化学中表面化学部分。 第3页/共59页 根据吸附力不同可分为： 物理吸附：分子间力(范德华引力 ) 吸附

2、化学吸附：化学键力 交换吸附：静电引力 吸附的实质：表面现象，减小界面能的一 种方式 物质吸附于固体表面之后，减小表面张力 ，使界面上的分子受力趋于均衡，故是自动 发生的。 第4页/共59页 1、物理吸附 吸附时表面能降低、放热； 可在低温下进行不需要活化能 选择性不强，吸引力随分子量增大 而增大，可以吸附多种吸附质； 易于解吸(吸附的逆过程)分 子的热运动； 可形成单层或多层吸附。 第5页/共59页 吸附的特征 2、化学吸附 吸附热大，需在高温下进行； 具有选择性； 化学键力大时，吸附不可逆； 只能形成单分子吸附层。 第6页/共59页 吸附的特征 3、交换吸附 吸附质的离子由于静电引力聚集到

3、吸附剂 表面带电点，同时吸附剂也放出等当量离子 。离子带电荷多，吸附强；电荷相同，水化 半径小，吸附力强。 三种吸附作用往往相伴发生，水处理中的 吸附大部分是综合作用的结果。 第7页/共59页 由于吸附是一种表面化学过程，因此研究吸 附可从两方面进行：化学平衡和化学反应速 度。 吸附等温线实际上表达了吸附达到动态平 衡时的平衡浓度表达式。 一、吸附平衡 二、吸附剂的吸附量 三、吸附等温线 第8页/共59页 吸附速度=解吸速度 如果吸附是可逆的，存在吸附和解吸两个 过程。当吸附质在吸附剂表面达到动态平衡 时，吸附质在溶液中的浓度和吸附剂表面的 浓度都不再改变，此时溶液中的吸附质浓度 称为平衡浓度

4、。 第9页/共59页 吸附剂吸附能力的大小用吸附量表示：单 位重量的吸附剂吸附的吸附质的重量。 吸附量q（g/g）按下式计算： M CCV q )( 0 （11-23） 式中： V水的体积，L； C0原水中 吸附质浓度，g/L；C平衡水中的残余吸 附质浓度，g/L； M活性炭投加量，g 第10页/共59页 温度一定的条件下，V、C0一定时，改变 投炭量，吸附的平衡浓度和吸附量均发生相 应改变。其规律如图11-2-1所示。在双对数 坐标上可得一近似直线（如图11-2-2）。 表示吸附等温线的方程为等温吸附式，常 用两种 1、Freundlich等温吸附公式 2、Langmuir等温吸附公式 第1

5、1页/共59页 根据图11-2-2可知： CnKqlglglg（11-24 ） n KCq （11-25 ） 式中：K，n常数 Freundlich等温吸附公式是一个经验公式 第12页/共59页 根据分子运动学说，通过一些假设而推导 的单分子层吸附公式如下： aC abC q 1 (11-26) 式中：a，b常数 bCabq 1111 线性化 ： (11-27) 如图11-2-3所示 第13页/共59页 第14页/共59页 第15页/共59页 第16页/共59页 吸附速度：单位时间内单位重量的吸附剂所吸 附的物质的量。水中多孔吸附剂对吸附质的吸附 过程分三个阶段： 颗粒外部扩散(膜扩散)阶段吸

6、附质通过液膜 内部扩散阶段吸附质向细孔深处扩散 吸附反应阶段吸附质被吸附于细孔表面上 第三阶段一般进行很快，故吸附受前两阶段扩 散速度控制。 第17页/共59页 吸附速度 外部扩散：与膜两边浓度和膜表面积(即吸 附剂外表面积)成正比，与溶液搅动程度有关 。增加溶液与吸附剂的相对速度，可使液膜变 薄，提高外扩速度。 内部扩散：比较复杂，与微孔大小、构造、 吸附质颗粒大小、吸附剂颗粒大小有关。吸附 剂颗粒小，对提高吸附速度有利。 第18页/共59页 一、吸附剂的性质 二、吸附质的性质 三、pH值 四、温度 五、接触时间 六、生物协同作用 第19页/共59页 1、孔的大小 活性炭是以含炭物质经高温炭

7、化和活化而 成，活化时造成内部孔隙十分发达。一般孔 径100埃 为大孔。活性炭的吸附量主要由微孔支配， 因微孔的表面积占总表面积的95%以上。 第20页/共59页 吸附剂的性质 2、比表面积 活性炭的比表面积一般5001700m2/g。炭的 粒径越小，或微孔越发达，则比表面积越大 ，吸附量就越大。 3、炭的表面化学性质 活化时能使炭的表面产生微弱极性，有利 于产生离子交换吸附或络合反应，提高处理 效果。要求吸附容量大，速度快，机械强度 好。 第21页/共59页 能使液体表面张力降低越多的吸附质，越 易被吸附；吸附质浓度的影响可由吸附等温 线看出。吸附质的溶解度、表面自由能、分 子大小和不饱和程

8、度、极性等均对吸附有影 响。 第22页/共59页 溶液的pH值影响溶质在水中的存在状态( 分子、离子、络合物)和溶解度，也影响炭的 表面电荷特性，活性炭在酸性溶液中吸附性 能好，pH9时不易吸附。 第23页/共59页 吸附是放热反应，因此温度升高，吸附量 减少。 第24页/共59页 受吸附速度影响，应结合技术和经济两方 面考虑。吸附时应保证一定的接触时间，以 使吸附接近平衡。接触时间为： v h Q W t（11-28） 式中：W炭层容积，m3；Q流量， m3/h； h炭层高度，m； v空塔过滤 速度，m/h 第25页/共59页 活性炭使用一定时间后，其表面会繁殖微生 物，参与对有机物的去除。

9、目前，有人利用 生物活性炭处理低浓度有机废水，取得了较 好的效果。 有利参与有机物的分解、去除。 不利增加水头损失，产生厌氧状态。 第26页/共59页 广义上，一切固体表面都具有吸附作用。实 际上，只有多孔物质和尺度很小的物质因为 有巨大的表面积，才有明显的吸附能力。 废水中处理中常用的吸附剂：活性炭，磺 化煤、活化煤、沸石、活性粘土、硅藻土、 焦炭、木炭、木屑等，以活性炭应用最广。 第27页/共59页 常用吸附剂 活性炭：用含炭为主的原料(木材、煤)， 经高温炭化和活化而制成的疏水性吸附剂， 外观黑色、有粉状和粒状、棒状等。 活性炭晶格间有许多不同形状和大小的细 孔，吸附作用主要发生的细孔表

10、面，比表面 积5001700m2/g。 吸附量与比表面积、细孔构造和分布、表 面化学性质有关。 第28页/共59页 一、操作方式 二、设计 第29页/共59页 废水进行吸附前，应先经预处理去除悬浮物、油 类等杂质，避免堵塞吸附剂的孔隙。 吸附操作分为静态与动态操作方式。 静态为间歇式，很少用(小流量，间歇排放)； 动态操作为连续式，有固定床、移动床和流动床 三种。 第30页/共59页 操作方式 1、固定床 水连续进入和流出，经床层吸附杂质可得到 清洁的出水。为充分发挥炭床的最大吸附作 用，常采用多塔串联运行。 2、移动床 水由下部进入上部排出，底层饱和的炭定期 由下部排出，经再生的炭由塔顶补充

11、，可节 省占地面积。 3、流动床（流化床） 利用进水动力使炭粒之间发生相对运动， 呈流化态悬浮，利于炭水的充分接触。 第31页/共59页 1、设计步骤 （1）根据静态吸附试验得出不同炭的吸附 的等温线，从而选择炭型，并按式11-23计算 用炭量； （2）由动态吸附柱试验确定设计参数 炭柱形式、串联级数、炭的使用周期、通水 倍数(m3水/Kg炭)、最佳空塔速度；接触时间 、炭柱容量、用炭量、再生设备容量；每米 炭层水头损失、反冲洗频率、强度等。 第32页/共59页 设计 2、动态吸附柱的工作过程与计算 动态吸附过程可用穿透曲线（图11-2-4） 来表示。以出水吸附质浓度为纵坐标，出水 量(或出流

12、时间)为横坐标作图，可得到穿透 曲线。 第33页/共59页 设计 当废水进入炭柱后，首先由炭层上部发生 吸附作用。随着废水的进入，吸附区逐渐下 移，当出水中吸附质浓度达到出水要求时， 吸附达到终点，此时应对炭柱进行再生。图 中炭层上部为饱和区，发生吸附的为吸附带 ，下部为未吸附区。当出水浓度达到允许的 浓度Ca时对应的点为穿透点a；出水浓度达 到进水浓度的9095%时表明吸附能力耗竭， 对应的点为吸附终点b。从a到b这段时间t内 ，吸附带所移动的距离为吸附带的长度。 第34页/共59页 设计 吸附容量的通水倍数：单位重量的炭可处理的水量 。 若采用单柱吸附，则处理水量为Va，通水倍数为 Va/

13、M；若采用多柱串联，则每柱可处理水量增加 到Vb，通水倍数为增加为Vb/M。到达吸附终点时 ，去除的溶质总量相当于穿透曲线与过C0点的水平 线之间的面积，可用图解积分求出： dVCC b V 0 0 ）（去除的总量（11-29 ） 第35页/共59页 设计 若为多柱串联，则串联级数为： a b V V n （11-30） 通水倍数 装炭量 QT （11-31） 第36页/共59页 第37页/共59页 在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情 况下，将吸附质从吸附剂表面去除，以便恢复吸 附剂的吸附能力的过程称为吸附剂的再生。 再生方法有加热再生法、蒸汽法、溶剂法、臭 氧氧化法和生物法等。 第38

14、页/共59页 给水处理：过滤之后，去除微量有害物质的臭味 ，脱氯 废水处理：深度处理，微量污染物。去除难以生 物降解或化学氧化的少量有害物质，去色、杀虫剂 ，洗涤剂及金属离子。 与其它水处理技术联合使用：臭氧活性炭 饮用水去除有机物，印染废水脱色投炭活性 污泥法(PACT)生物活性炭法 第39页/共59页 概述 11.3.1 扩散渗析法 11.3.2 电渗析 11.3.3 反渗透 11.3.4 超滤 第40页/共59页 凡是使溶液中一种或几种成分不能透过， 而其它成分能透过的膜都叫着半透膜。膜分 离法就是用一种特殊的半透膜将溶液隔开， 使溶液中的某种溶质或溶剂（水）渗透出来 ，从而达到分离溶质

15、的目的。半透膜最大的 特点是选择透过性。 第41页/共59页 概述 根据采用的膜的种类不同和分离的推动力 不同，膜分离法可区别如下： 分离过程推动力膜用途 扩散渗析浓度差渗析膜分离溶质，回收酸、碱等 电渗析电位差离子交换膜 分离离子，用于回收酸、碱，苦 咸水淡化 反渗透压力差反渗透膜 分离小分子溶质，用于海水淡化 、去除无机离子或有机物 超滤压力差超过滤膜 截留分子量大于500的大分子， 去除粘土、植物质、油漆、微生 物等 第42页/共59页 概述 膜分离技术的共同优点是：常温下操作，不消耗 热能，无相变化，无相变能耗， 设备简单，易操 作，无化学药剂消耗，分离与浓缩同时进行，有 利回收；缺点

16、是处理能力小，需消耗相当的能量 。 膜析法的作用途径： 1、依靠薄膜中孔道的大小分离不同尺度的分 子或粒子； 2、依靠薄膜的离子结构分离性质不同的离子 ； 3、依靠薄膜有选择的透过性分离某些物质。 第43页/共59页 利用渗析膜将浓度不同的溶液分开，溶质即 从浓度高的一侧透过半透膜而扩散到浓度低的 一侧，当膜两侧的浓度达到平衡时，渗析过程 停止。扩散渗析主要用于酸、碱的回收，回收 率可达7090%，但不能将它们浓缩。 例：扩散渗析法从含H2SO4、FeSO4的废水 中回收酸（如图11-3-1所示） 第44页/共59页 第45页/共59页 一、原理 在直流电场的作用下，利用离子交换膜对溶液 中阴

17、、阳离子的选择透过性（阴膜只允许阴离 子通过，阳膜只允许阳离子通过）而使溶液中 的溶质与水分离的方法。 电渗析系统由一系列阴、阳膜置放于两电极 之间组成，如图11-3-2。离子减少的隔室称为 淡室，出水为淡水；离子增多的室称为浓室， 出水为浓水；与电极板接触的隔室称极室，出 水为极水。 第46页/共59页 电渗析法 影响电渗析的因素有浓差极化、结垢、腐蚀等 。 浓差极化：由于电流强度过大，使膜附近与 水流主体之间产生浓度差。由于水流主体内的 离子来不及补充到膜表面水层，因而膜表面水 层发生电离，使阴膜浓室的Ph升高，产生结垢 现象，此即浓差极化。防止浓差极化的方法有 极限电流法、倒换电极法、定

18、期酸洗法、增加 水流主体紊动程度等方法。 第47页/共59页 电渗析法 二、应用 1、从酸洗废液中回收酸和铁（见图11-3-3） 2、从芒硝废液中回收硫酸和氢氧化钠（见图 11-3-4） 3、从镀镍废液中回收镍（见图11-3-5） 第48页/共59页 第49页/共59页 第50页/共59页 第51页/共59页 第52页/共59页 一、渗透与反渗透 1、渗透 一种膜只允许溶剂通过而不允许溶质通过 ，用这种膜将盐和水、淡水或两种浓度不同 的溶液隔开，则可发现水将从淡水侧或浓度 低的一侧通过膜自动渗透到盐水或浓度高的 一侧，直至达到平衡时为止，这种现象为渗 透作用。渗透平衡时，溶液两侧液面的静水 压差称为渗透压。（见图11-3-6所示） 第53页/共59页 反渗透 2、反渗透 若在盐水一侧施加大于渗透压的压力，则盐水中 的水就会流向淡水侧，此种现象称为反渗透。 二、反渗透膜 常用的反渗透膜有两种CA膜和中空纤维膜 CA膜成膜材料为醋酸纤维素 中空纤维膜以醋酸纤维素、脂肪族聚酰胺 和芳香族聚酰胺为材料制成。 第54页/共59页 反渗透 三、反渗透膜 板框式主要用于超滤 管式用于超滤或反渗透 螺卷式用于反渗透 中空纤维膜用于超滤和反渗透 四、作用 获得淡水，浓缩原水，回收溶质 第55页/共59页 第56页/共59页 一、原理 超滤又称超过滤，用于去除废水中大分子物