第6章吸附 一教学内容及学时分配(2学时) 吸附 二，教学目的及要求： 了解吸附的原理及在水处理工程中的应用。 第6章吸附 本节从以下三方面的内容介绍 1、吸附的基础理论 2、吸附的工艺和设备 3、吸附法在水处理中的应用。 一、吸附的基础理论 1.几个概念 吸附：在相界面上，物质的浓度自动发生紫积或浓集现象。 吸附法：就是利用多孔性的固体物质，使水中的一种或多种物质被吸附再固 体表面儿去除的方法。 吸附剂：具有吸附能力的多孔性周体物质 吸附质：水中被吸附的物质。 2.吸附的类型 根据固体表面吸附力的不同，吸附可分为物理吸附、化学吸附。 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称为物理吸附，物理吸附是 种常见的吸附现象，是由分子力引起的。被吸附的分子由于热运动还会离开吸附 剂表血，这种现象称为解吸，它是吸附的逆过程。但由于吸附剂和吸附质的极性 强弱不同，某一种吸附剂对各种吸附质的吸附量是不同的。 ·特点 自吸附热较小，一般在41.9Kmo1以内： 自物理吸附因不发生化学作用，所以低温时就能进行： 自物理吸附可形成单分子吸附层或多分子吸附层： 自由于分子间力是普遍存在的，物理吸附无选择性，一种吸附剂可吸附 多种吸附质。 自可发生其逆过程：解析
②化学吸附 化学吸附是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 ·特点 自吸附热较大 化学吸附一般在较高温度下进行，吸附热较大，相当于化学反应热，一般为 83.7418.7K1/mo1。 自具有选择性 一种吸附剂只能对某种或几种吸附质发生化学吸附，因此化学吸附具有选择 性。 自单分子吸附层 由于化学吸附是靠吸附剂和吸附质之间的化学键力进行的，所以吸附只能形 成单分子吸附层。 司当化学键力大时，化学吸附是不可逆的。 物理吸附和化学吸附并不是孤立的，往往相伴发生。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。由于吸附质、吸附剂及其他因素的毙响， 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。 物理吸附： ①吸附剂与被吸附物之间的力是分子力（范德华力）：，$1i二 ②吸附热较小，其数值和液化热相近。 ③物理吸附一般是没有选择性的： ④物理吸附的速度很快气体只需与固体接触立即发生： ⑤物理吸附可以是单分子层的，也可以是多分子层的。 化学吸附： ①吸附剂与被吸附物之间的力为化学健力，比范德华力强得多： ②化学吸附热大和化学反应热差不多： ③一种吸附剂只能对某种或几种吸附质发生化学吸附，因此化学吸附具有选 择性： ④化学吸附像化学反应一样，需要一定的活化能才行，故吸附速度较慢。 ⑤化学吸附总是单分子层的。 二、吸附剂 从广义而言，一切固体表面都有吸附作用，但实际上，只有多孔物质或磨的很 细的物质，由于具有很大的表血积，所以才有明显的吸附能力。废水处理中常用 2
的吸附剂有活性炭，磺化煤、活化煤、沸石、活性白土、硅藻土、腐殖质酸、焦 炭、木炭、术屑等。本节者重介绍在水处理中应用较广的活性炭。 1.活性炭制造 活性炭几乎可利用含碳的任何物质做原料来制造，包括木材、锯末、煤、果 壳（核）、骨头、皮革废物、纸厂废物等。近年来有些国家倾向于用天然煤和焦 炭制造粒状活性炭。 活性炭的制造分碳化和活化两步。碳化也称热解，是在隔绝空气的条件下对 原材料加热，一般温度在600℃以下（常用300~400℃）。碳化作用一是使原材 料分解放出水气、一氧化碳、二氧化碳和氢等气体：二是使原材料分解成碎片， 并重新集合成稳定的结构。活化是在氧化剂的作用下，对碳化后的材料加热，使 碳渣内部形城发达的多孔结构。活化的方法有气体法和药剂法两种。若采用气体 活化，当氧化过程的温度在800~900℃时，一般用蒸气或C0为氧化剂：当氧化 温度在600℃以下时，一般用空气做氧化剂。药剂活化法则常用氯化锌、硫酸等 作活化剂。粒状炭多采用水蒸气活化法，以立式炉或管式炉为活化炉。 2.活性炭的细孔构造和分布 活性炭在制造过程中，晶格间生成的空隙形成各种形状和大小的细孔。吸附 作用主要发生在细孔的表面上。每克吸附剂所具有的表血积称为比表面积。活性 炭的比表面积可达500~1700m/g。其吸附量并不一定相同，因为吸附量不仅与 比表面积有关，而且还与细孔的构造和细孔的分布情况有关。 活性炭细孔的形状与分布取决于活化方法和活化条件。细孔的形状有圆简 形、瓶形、平板形、V字形、毛细管形等。细孔的半径一般在1~10000m之间 活性炭的孔隙分为三类：①小孔（微孔）。半径在2m以下，其表面积占比表 面积的95%以上，对吸附量的影响最大：②中孔（过渡孔）。半径为2~100m 其表面积占比表面积的5%以下，它为吸附质提供扩散通道，不仅有利于扩散， 而且有利于大分子物质的吸附：③大孔。半径为100~10000nm,其表面积只有 0.5~2m/g,占比表面积的比例不足1%，它主要为吸附质提供扩散通道。 细孔大小不同，它在吸附过程中所引起的主要作用也就不同。对液相吸附来 说，吸附质虽可被吸附在大孔表面，但由于活性炭大孔表面积所占的比例较小， 故对吸附量影响不大。它主要为吸附质的扩散提供通道，使吸附质通过此通道扩 散到过渡孔和小孔中去，因此吸附质的扩散速度受大孔影响。活性炭的过渡孔除 为吸附质的扩散提供通道使吸附质通过它扩散到小孔中去而影响吸附质的扩散 速度外，当吸附质的分子直径较大时，这时小孔几乎不起作用，活性炭对吸附质的 吸附主要靠过渡孔米完成。活性炭小孔的表间积占比表面积的95%以上，所以吸 附量主要受小孔支配。由于活性炭的原料和制造方法不同，细孔的分布情况相差 很大，所以应根据吸附质的直径和活性炭的细孔分布情况选择合适的活性炭。 3.活性炭的表面化学性质 活性炭的吸附特性不仅与细孔构造和分布情况有关，而且还与活性炭的表面 3
化学性质有关。活性炭是由形状扁平的石墨型微晶体构成的。处于微晶体边缘的 炭原子，由于共价键不饱和而易与其他元素如氧、氢等结合形成各种含氧官能团， 使活性炭具有一些极性。目前对活性炭含氧官能团（又称表面氧化物）的研究还不 够充分，但己证实的有0H基，-C00H基等。 活性炭本身是非极性的，但其表面的氧化物使活性炭具有极性的性质，因而 倾向于吸附极性较强的化合物。因此，活性炭不仅可以去除水中的非极性物质， 还可以吸附极性溶质甚至某些微量的金属离子及其化合物。正因为如此，活性炭 在废水处理中应用十分广泛 活性炭有粒状与粉状之分，粒状活性炭制造成本较高，但使用方便，再生容 易。粉状活性炭吸附能力强，容易制造，成本低，但不易再生。 三、吸附等温线 1.吸附平衡 如果吸附过程是可逆的，当废水与吸附剂充分接触后，一方面吸附质被吸附 剂吸附，另一方血，一部分已被吸附的吸附质，由于热运动的结果，能够脱离吸附 剂的表面.又回到液相中去。前者称为败附时程.后者称为醒吸过程。当吸附谏度 和解吸速度相等时，即单位时间内吸附的数量等于解吸的数量时，则吸附质在溶 液中的浓度和吸附剂表血上的浓度都不再改变而达到平衡。此时吸附质在溶液中 的浓度称为平衡浓度。 吸附剂吸附能力的大小以吸附量q(g/g)表示。所谓吸附量是指单位重量的 畈附剂(g)所吸附的吸附质的重量(g),取一定容积V),含吸附质浓度为C(g/L) 的水样，向其中投加活性炭的重量为W(g)。当达到吸附平衡时，废水中剩余的吸 附质浓度为C(g/L),则吸附量q可用下式计算： 9-V(c.-c) 式中--废水容积，L: W一一活性炭投量，g: C。-一原水吸附质浓度，g/L: C一一吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度，g/L。 在温度一定的条件下，吸附量随吸附质平衡浓度的提高而增加。把吸附量随 平衡浓度而变化的曲线称为吸附等温线。常见的吸附等温线有两种类型，如图 13-34所示。 2.吸附等温式 由于液相吸附很复杂，至今还没有统一的吸附理论，因此液相吸附的吸附等 温式一直沿用气相吸附等温式。表示【型吸附等温式有朗谬尔公式和费兰德利希 公式，表示Ⅱ型吸附等温式有ET公式，现分述如下 ①朗谬尔公式 朗谬尔公式是从动力学观点出发，通过一些假设条件而推导出来的单分子吸
附公式。 9- 式中a、b为常数 为计算方便，可将上式改写为倒数式，即 1-1.1+1 g ab Cb 从上式可看出，)与之成直线关系，利用这种关系可求a、b的值。 ②BET公式 BET公式是表示吸附剂上有多层溶质分子被吸附的吸附模式，各层的吸附 符合朗谬尔单分子吸附公式。公式为： BCqo g= Cc.-c)-- 式中q0一一单分子吸附层的饱和吸附量，gg: Cs一一吸附质的饱和浓度，gL: B一一常数。 为计算方便，可将上式改为倒数式，即 1B-1C (C,-C9B4Bg。C, 从上式可看出，C,-C 与二呈直线关系，利用这个关系可求4、B。 S=A.L.n 主要用用于测定固体物质的比表面积 ③费兰德利希经验公式 g=KCR 将上式改写成对数式： Igq=lgK+-lgC 把C和与其对应的q点绘在双对数坐标纸上，便得到一条近似的直线。这条 直线的截距为K,斜率为1血。1/n越小，吸附性能越好。一般认为1/m0.10.5时 容易吸附：1m大于2时，则难于吸附。当1m较大时，即吸附质平衡浓度越高 则吸附量越大，吸附能力发挥的也越充分，这种情况最好采用连续式吸附操作。 当1m较小时，多采用间歇式吸附操作。 吸附量是选择吸附剂和设计吸附设备的重要数据。吸附量的大小，决定吸附 剂再生周期的长短。吸附量越大，再生周期就越长，从而再生剂的用量及再生费用