2018年環(huán)保工程師知識點重點講解:吸附
一、 吸 附
吸附:溶液中的物質(zhì)由一相向某種適宜的另一相界面上積累的過程。
在廢水處理中,用吸附作用來去除廢水中的污染物質(zhì)時,一般都是通過固液界面的吸附來實現(xiàn)的,具吸附能力的多孔性固體物質(zhì)稱為吸附劑。
1、吸附原理
吸附是一種在兩相界面上發(fā)生的表面現(xiàn)象,與物質(zhì)表面張力和表面能的變化有關(guān),符合熱力學(xué)第二定律,可用吉布斯方程式表示:
式中,若某溶質(zhì)能降低溶液的表面張力,即為負(fù)值, 為正值,產(chǎn)生正吸附,若某溶質(zhì)能增加溶液的表面張力,則為正值, 為負(fù)值,產(chǎn)生負(fù)吸附,稱為解吸。
2、吸附的類型
⑴物理吸附:
特點是吸附熱較小,低溫就能進(jìn)行,吸附是可逆的,吸附基本沒有選擇性。
⑵化學(xué)吸附:
特點是吸附熱較大一般在較高溫度下進(jìn)行;當(dāng)化學(xué)鍵力大時,吸附是不可逆的;吸附有選擇性,一種吸附劑只對某種或幾種吸附質(zhì)發(fā)生化學(xué)吸附。
⑶離子交換吸附:
水處理中,吸附往往是由上述3種吸附綜合作用的結(jié)果,但由于吸附質(zhì)和吸附劑的不同以及其他因素的影響,可能某種吸附是主要的。
3、吸附等溫線
在溫度一定的條件下,吸附容量隨吸附質(zhì)平衡濃度的增大而提高,吸附容量隨平衡濃度而變化的曲線稱為吸附等溫線。
常見的吸附等溫線有Ⅰ型和Ⅱ型兩種類型。
Ⅰ型吸附等溫線與朗格謬爾和弗蘭德利希吸附等溫式相對應(yīng),Ⅱ型吸附等溫線與BET等溫式相對應(yīng)。應(yīng)理解這幾個公式,并掌握公式中各參數(shù)的計算過程。
4、吸附速率
吸附速率是指單位重量的吸附劑在單位時間內(nèi)所吸附的吸附質(zhì)質(zhì)量。
吸附速率越快,吸附質(zhì)與吸附劑接觸時間就越短,所需的吸附設(shè)備容積也就越小。
吸附速率取決于吸附質(zhì)的傳質(zhì)過程,對于多孔吸附劑,傳質(zhì)分為以下三步:
①吸附質(zhì)從溶液主體擴(kuò)散到吸附劑外表面,這是吸附質(zhì)透過吸附劑表面液膜的傳質(zhì)簡稱外擴(kuò)散;
②吸附質(zhì)由吸附劑顆粒的外表面,經(jīng)顆粒內(nèi)的細(xì)孔擴(kuò)散到顆粒的內(nèi)表面,簡稱內(nèi)擴(kuò)散;
③吸附質(zhì)在吸附劑的表面上被吸附。
5、常用吸附劑及影響吸附的主要因素
⑴常用吸附劑
活性炭、磺化煤、活化煤、沸石、活性白土、硅藻土、腐殖質(zhì)酸、焦炭、木炭、木屑、爐渣和粉煤灰等,應(yīng)用較多的是活性炭。
⑵活性炭的特性
①活性炭的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)
活性炭具有巨大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。比表面積可達(dá)500~1700m2/g,其中小孔容積一般為0.15~0.9ml/g,表面積占比表面積的95%以上,過渡孔容積一般為0.02~0.1ml/g,表面積占比表面積的5%左右,而大孔容積一般為0.2~0.5ml/g,表面積很小,只有0.5~2m2/g。
②活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)
由于活性炭表面有—OH基等,所以具有一些極性。
⑶影響活性炭吸附的主要因素
①活性炭吸附劑的性質(zhì)
其表面積越大,吸附能力就越強(qiáng); 活性炭是非極性分子,易于吸附非極性或極性很低的吸附質(zhì);活性炭吸附劑顆粒的大小,細(xì)孔的
構(gòu)造和分布情況以及表面化學(xué)性質(zhì)等對吸附也有很大的影響。
②吸附質(zhì)的性質(zhì)
取決于其溶解度、表面自由能、極性、吸附質(zhì)分子的大小和不飽和度、附質(zhì)的濃度等。
③廢水PH值
活性炭一般在酸性溶液中比在堿性溶液中有較高的吸附率。
PH值會對吸附質(zhì)在水中存在的狀態(tài)及溶解度等產(chǎn)生影響,從而影響吸附效果。
④共存物質(zhì)
共存多種吸附質(zhì)時,活性炭對某種吸附質(zhì)的吸附能力比只含該種吸附質(zhì)時的吸附能力差。
⑤溫度
溫度對活性炭的吸附影響較小
⑥接觸時間
應(yīng)保證活性炭與吸附質(zhì)有一定的接觸時間,使吸附接近平衡,充分利用吸附能力。
6、吸附操作方式
⑴靜態(tài)吸附
適用于處理水量小或吸附劑性質(zhì)特殊的情況下。
⑵動態(tài)吸附
廢水在流動時進(jìn)行的吸附為動態(tài)吸附,其工藝可分為固定床、移動床、流化床三種。
固定床:在水處理工藝中常用。由于處理水量、原水水質(zhì)和處理出水水質(zhì)指標(biāo)的不同,工程中可采用單床、多床串聯(lián)和多床并聯(lián)等三種操作方式。移動床和流化床在廢水處理中應(yīng)用較少。
7、吸附床的設(shè)計
⑴吸附試驗
①確定吸附容量試驗
主要是確定吸附容量公式中各參數(shù)關(guān)系并求出相應(yīng)的吸附等溫線。
②確定吸附速率試驗
測定不同時間水樣中溶質(zhì)濃度,直到濃度不再變化為止,根據(jù)數(shù)據(jù)求出吸附速率。
③裝置試驗
選用直徑為100~150mm、高為1.5~2.5m的吸附柱裝置,吸附劑層厚度約1.0~1.5m?蛇M(jìn)行多床串聯(lián)試驗,并繪制穿透曲線,利用
此曲線確定使吸附容量得以充分利用的吸附操作方式。
⑵主要設(shè)計參數(shù)
包括吸附塔直徑(1~3.5m)、充填層厚度(3~10m)、充填層與塔徑之比(1:1~4:1)、活性炭粒徑(0.5~2.0mm)、接觸時間(10~50min)、容積線速度、過濾線速度(升流式:9~25m/h,降流式:7~12m/h)、反沖洗線速度、反沖洗時間(3~8min)、反沖洗周期(8~72h)、反沖洗膨脹率等。
8、活性炭吸附法在水處理中的應(yīng)用
廣泛應(yīng)用于在城市污水處理、飲用水及工業(yè)廢水處理。
⑴城市污水處理
廢水中的一些有機(jī)物是難于為微生物或一般氧化法所氧化分解的,如酚、苯、石油及其產(chǎn)品、殺蟲劑、洗滌劑、合成染料、胺類化合物以及許多人工合成有機(jī)物,經(jīng)生化處理后很難達(dá)到對排放要求較高的水體中排放的標(biāo)準(zhǔn),也嚴(yán)重影響廢水的回用,因此需要深度處理。
由于活性炭對有機(jī)物的吸附能力大,在廢水深度處理中得到廣泛的應(yīng)用,具有以下優(yōu)點:
①處理程度高,城市污水用活性炭進(jìn)行深度處理后,BOD可降低99%,TOC可降到1~3mg/L。
②應(yīng)用范圍廣,對廢水中絕大多數(shù)有機(jī)物都有效,包括微生物難于降解的有機(jī)物。
③適應(yīng)性強(qiáng),對水量及有機(jī)物負(fù)荷的變動有較強(qiáng)的適應(yīng)性能,可得到穩(wěn)定的處理效果。
④粒狀炭可進(jìn)行再生重復(fù)使用,被吸附的有機(jī)物在再生過程中被燒掉,不產(chǎn)生污泥。
⑤可回收有用物質(zhì),例如用活性炭處理含酚廢水,用堿再生吸附飽和的活性炭,可以回收酚鈉鹽。
⑥設(shè)備緊湊、管理方便。
⑵飲用水深度處理中的應(yīng)用
活性炭吸附是建立在常規(guī)給水處理基礎(chǔ)上,一般設(shè)置在砂過濾之后,也可與砂濾料組成雙層濾料過濾或以活性炭過濾代替砂過濾。在利用活性炭吸附進(jìn)行飲用水深度處理的過程中,發(fā)現(xiàn)在活性炭濾料上生長有大量的微生物,使出水水質(zhì)提高且再生延長,于是發(fā)展了一種經(jīng)濟(jì)有效的去除水中的微污染物質(zhì)的生物活性炭工藝,流程為原水—(加入混凝劑)—澄清—過濾(加入臭氧)再利用活性炭吸附,最后是出水。
⑶工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用
很多工業(yè)廢水很難或不能采用生化處理,采用其他方法時,有的不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),或運行費用較高,或操作較麻煩等,例如有毒的有機(jī)化合物和某些金屬及其化合物等。工程實踐表明,活性炭對這些物質(zhì)有很強(qiáng)的吸附能力。例如:
某染料廠排放廢水量為320m3/d,主要污染物二硝基氯苯為1000~1200mg/L,酸(以硫酸計)0.5%,工藝流程為:先進(jìn)入調(diào)節(jié)池(50~60攝氏度),冷卻沉降后進(jìn)入廢水池(30~40攝氏度),再用固定床式吸附塔進(jìn)行吸附,經(jīng)石灰石膨脹中和濾池后排放,其中冷卻沉降的結(jié)晶二硝基氯苯可以回收。吸附塔的工藝參數(shù):濾速14~15m/h;接觸時間0.25h,采用二塔串聯(lián),一塔備用,塔徑900mm,塔高5m,每塔裝活性炭2.0m3,重1.09t,裝炭高度3.2m,經(jīng)處理后,吸附塔進(jìn)水二硝基氯苯為700mg/L,出水為5mg/L,PH值大于6,達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
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