2018年環保工程師知識點重點講解：吸附

一、 吸 附

吸附：溶液中的物質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時，一般都是通過固液界面的吸附來實現的，具吸附能力的多孔性固體物質稱為吸附劑。

1、吸附原理

吸附是一種在兩相界面上發生的表面現象，與物質表面張力和表面能的變化有關，符合熱力學第二定律，可用吉布斯方程式表示：

式中，若某溶質能降低溶液的表面張力，即為負值， 為正值，產生正吸附，若某溶質能增加溶液的表面張力，則為正值， 為負值，產生負吸附，稱為解吸。

2、吸附的類型

⑴物理吸附：

特點是吸附熱較小，低溫就能進行，吸附是可逆的，吸附基本沒有選擇性。

⑵化學吸附：

特點是吸附熱較大一般在較高溫度下進行;當化學鍵力大時，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發生化學吸附。

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果，但由于吸附質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，Ⅱ型吸附等溫線與BET等溫式相對應。應理解這幾個公式，并掌握公式中各參數的計算過程。

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所吸附的吸附質質量。

吸附速率越快，吸附質與吸附劑接觸時間就越短，所需的吸附設備容積也就越小。

吸附速率取決于吸附質的傳質過程，對于多孔吸附劑，傳質分為以下三步：

①吸附質從溶液主體擴散到吸附劑外表面，這是吸附質透過吸附劑表面液膜的傳質簡稱外擴散;

②吸附質由吸附劑顆粒的外表面，經顆粒內的細孔擴散到顆粒的內表面，簡稱內擴散;

③吸附質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、腐殖質酸、焦炭、木炭、木屑、爐渣和粉煤灰等，應用較多的是活性炭。

⑵活性炭的特性

①活性炭的比表面積和孔隙結構

活性炭具有巨大的比表面積和豐富的孔隙結構。比表面積可達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活性炭的表面化學性質

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

其表面積越大，吸附能力就越強; 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;活性炭吸附劑顆粒的大小，細孔的

構造和分布情況以及表面化學性質等對吸附也有很大的影響。

②吸附質的性質

取決于其溶解度、表面自由能、極性、吸附質分子的大小和不飽和度、附質的濃度等。

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值會對吸附質在水中存在的狀態及溶解度等產生影響，從而影響吸附效果。

④共存物質

共存多種吸附質時，活性炭對某種吸附質的吸附能力比只含該種吸附質時的吸附能力差。

⑤溫度

溫度對活性炭的吸附影響較小

⑥接觸時間

應保證活性炭與吸附質有一定的接觸時間，使吸附接近平衡，充分利用吸附能力。

6、吸附操作方式

⑴靜態吸附

適用于處理水量小或吸附劑性質特殊的情況下。

⑵動態吸附

廢水在流動時進行的吸附為動態吸附，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、原水水質和處理出水水質指標的不同，工程中可采用單床、多床串聯和多床并聯等三種操作方式。移動床和流化床在廢水處理中應用較少。

7、吸附床的設計

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關系并求出相應的吸附等溫線。

②確定吸附速率試驗

測定不同時間水樣中溶質濃度，直到濃度不再變化為止，根據數據求出吸附速率。

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行多床串聯試驗，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主要設計參數

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用

廣泛應用于在城市污水處理、飲用水及工業廢水處理。

⑴城市污水處理

廢水中的一些有機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物，經生化處理后很難達到對排放要求較高的水體中排放的標準，也嚴重影響廢水的回用，因此需要深度處理。

由于活性炭對有機物的吸附能力大，在廢水深度處理中得到廣泛的應用，具有以下優點：

①處理程度高，城市污水用活性炭進行深度處理后，BOD可降低99%，TOC可降到1～3mg/L。

②應用范圍廣，對廢水中絕大多數有機物都有效，包括微生物難于降解的有機物。

③適應性強，對水量及有機物負荷的變動有較強的適應性能，可得到穩定的處理效果。

④粒狀炭可進行再生重復使用，被吸附的有機物在再生過程中被燒掉，不產生污泥。

⑤可回收有用物質，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設備緊湊、管理方便。

⑵飲用水深度處理中的應用

活性炭吸附是建立在常規給水處理基礎上，一般設置在砂過濾之后，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行飲用水深度處理的過程中，發現在活性炭濾料上生長有大量的微生物，使出水水質提高且再生延長，于是發展了一種經濟有效的去除水中的微污染物質的生物活性炭工藝，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工業廢水處理中的應用

很多工業廢水很難或不能采用生化處理，采用其他方法時，有的不能達到排放標準，或運行費用較高，或操作較麻煩等，例如有毒的有機化合物和某些金屬及其化合物等。工程實踐表明，活性炭對這些物質有很強的吸附能力。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：先進入調節池(50～60攝氏度)，冷卻沉降后進入廢水池(30～40攝氏度)，再用固定床式吸附塔進行吸附，經石灰石膨脹中和濾池后排放，其中冷卻沉降的結晶二硝基氯苯可以回收。吸附塔的工藝參數：濾速14～15m/h;接觸時間0.25h，采用二塔串聯，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，經處理后，吸附塔進水二硝基氯苯為700mg/L，出水為5mg/L，PH值大于6，達到排放標準。