活性炭吸附水的除氟课件.ppt

1,19.2 活性炭吸附,19.2.1 吸附概述 19.2.2 活性炭吸附 19.2.3 活性炭吸附的应用19.2.4 活性炭吸附操作方式19.2.5 活性炭的再生,2,No. 2,19.2.1 吸附概述,1 吸附概念2 吸附机理3 吸附分类4 等温吸附的经验方程,3,No. 3,1 吸附概念,吸附在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓集的现象。在水处理中是固体物质表面对水中物质的吸附作用。 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。吸附剂 具有吸附能力的多孔性固体物质。吸附质水中被吸附的物质。脱 附吸附在吸附剂机剂表面的吸附质从吸附剂表面脱落。,4,No. 4,2 吸附机理,吸附过程是一个自发过程。原因：分子间和分子内键与健之间存在作用力（吸附力）。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)。,5,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。在较高温度下进行，吸附热较大。化学吸附具有选择性。 吸附只能形成单分子吸附层。 化学吸附是不可逆的。,3 吸附分类,6,No. 6,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,7,No. 7,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,V,mg碳,8,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,9,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,10,No. 10,1 活性炭简介,活性炭分类 活性炭的制备 活性炭细孔构造和分布,11,No. 11,1 活性炭简介,活性炭分类： 粉末炭（PAC）： 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。 缺点：冲击负荷适应性差，吸附能力未被充分利用。污泥处理困难，作业环境恶劣再生困难，常常只使用一次，所以运行费用较高。适用条件 建造颗粒炭床困难的情况及短期应急措施,12,No. 12,1 活性炭简介,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。,13,No. 13,1 活性炭简介,活性炭的制备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。 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,14,No. 14,活性炭的细孔构造和分布,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，活性炭的表面积达5001700m2/g碳。具有良好的吸附特性。细孔:表面积占整个表面积的95以上。过渡孔：其表面积占5以下。大孔：表面积只有0.52m2/g,15,No. 15,大孔的作用 扩散通道，吸附质通过此通道扩散到过渡孔和小孔中去。过渡孔的作用 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。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,16,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),17,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。,18,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。,19,（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。,20,3.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。,21,No. 21,2 活性炭的吸附性质,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,22,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。分子的疏水性越强越容易被吸附。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。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。,23,容易吸附和不易吸附的有机物,24,No. 24,3 影响活性炭吸附的因素,2) 其他因素 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。,25,No. 25,4 活性炭的吸附特性,1) 去除微量有机物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。异 臭活性炭对植物性臭、鱼腥臭、芳香臭、土臭等处理有效。色 度对水生植物和藻类产生的色度有较好的去除效果。农药、烃类化合物（石油）氯化致突变前驱物（THM）高分子有机物。,26,No. 26,4 活性炭的吸附特性,2) 去除水中部分无机物重金属六价铬、银、汞、铅、镍。余 氯活性炭对氯和氯胺作用是化学反应。氰化物、放射性物质氨氮活性炭对氨氮无去除效果，臭氧联用，有一定效果。,27,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,28,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,29,No. 29,19.2.3 活性炭吸附的应用,3 粒状活性炭的应用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。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。,30,No. 30,19.2.4 活性炭吸附操作方式,1）静态吸附 在废水不流动的条件下，进行的吸附操作。2）动态吸附 动态吸附是在废水流动条件下进行的吸附操作。 固定床 移动床 流化床,31,活性炭吸附泄漏曲线,32,No. 32,33,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,34,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. 29,35,No. 35,(2) 移动床,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。 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。 目前较大规模的废水处理多采用。,36,No. 36,(3)流动床(流化床),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。 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。 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。 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。,37,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。,38,No. 38,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,干式加热再生系统,39,19.2.6 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）。,40,1，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。,41,2.模型试验求临界高度ho,42,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KV、NoV、hoV三条曲线。,43,44,3.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）,45,（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),46,(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 ：,47,48,49,50,碳滤池,51,碳滤池,52,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：吸附过滤法吸附剂：活性氧化铝、骨炭、活性炭和磷酸三钙；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。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。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,53,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,除氟方法的特点和比较,54,活性氧化铝法,活化除氟再生,19.3 水的除氟,55,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原水pH 值影响较大， pH =5.5时，吸氟容量最高。原水碱度重碳酸根浓度高，活性氧化铝的吸附容量降低。砷的影响活性氧化铝对砷有吸附作用，砷在其上的积聚导致氟离子吸附容量下降。,19.3 水的除氟,56,活性氧化铝,57,活性氧化铝法,4. 活性氧化铝失去除氟能力时，对其进行再生，再生剂：氢氧化钠、硫酸铝。,19.3 水的除氟,首次冲洗,废液,再生液,再生,二次冲洗,中和,氢氧化钠再生工艺流程,58,活性氧化铝法,5. 处理流程：,19.3 水的除氟,含氟原水,含氟原水,59,电渗析法,电渗析器膜上的活性基因，对细菌、藻类、有机物、铁、锰等离子敏感。进入电渗析器的原水有一定要求。如含盐量、浊度5NTU、铁0.3mg/L、锰0.3mg/L、水温540。如原水超过范围，进行预处理。,19.3 水的除氟,用户,60,絮凝沉淀法,适用条件：原水含氟量小于4mg/L，处理水量小于30m3/d的小型除氟工程。工艺流程：絮凝剂与净水药剂相同，铝盐氯化铝、硫酸铝、碱式氯化铝。投加量：一般为原水含氟量的1015倍。设备：混合泵前混合、管道混合；絮凝机械絮凝；过滤常规普通快滤池。,19.3 水的除氟,61,课后自习,中国工程建渗标准化协会标准 饮用水除氟设计规程,