活性炭吸附工艺ppt课件.ppt

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1、活性炭吸附,吸附：在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓集的现象。分为物理吸附和化学吸附。物理吸附：吸附剂和吸附质之间通过分子间力产生的吸附。化学吸附：吸附剂和吸附质之间发生化学作用，由于化学键力引起的。废水处理中常用的吸附剂有活性炭，磺化煤、活化酶、沸石、活性白土、硅藻土、焦炭、木炭、木屑等。,活性炭吸附,一 活性炭的性质1.活性炭的制造活性炭是以含碳为主的物质（如木材、煤）作原料，经高温碳化和活化而制成的疏水性吸附剂，外观呈黑色。碳化是把原料热解成炭渣，生成类似石墨的多环芳香系物质，活化是把热解的炭渣成为多孔结构。2.活性炭的细孔构造和分布活性炭的表面布满微细的小孔，根据孔径的大小，可分为

2、小孔（半径在2nm以下）、大孔（半径介于1001000nm之间）过渡孔（半径为2100nm）,比表面积：每克吸附剂所具有的表面积。活性炭的比表面积可达5001700m2/g，其中小孔占95%。使活性炭具有吸附功能的是小孔，大孔的作用是将溶液导入，使其进入小孔的吸附功能区。3.活性炭的表面化学性质 活性炭是由形状扁平的石墨型微晶体构成的。处于微晶体边缘的碳原子，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，使活性炭具有一些活性。已证实的有-OH基、-COOH基等。,二 吸附等温线平衡浓度：当吸附速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

3、和吸附剂表面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成为平衡浓度。,吸附等温线：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。由于液相的复杂，没有统一的吸附理论 因此沿用气相吸附等温线。,表示I型等温式有浪缪尔公式和费兰德利希公式，表示II型吸附等温式有BET公式。（1）朗缪尔公式从动力学观点出发，通过一些假设条件而推导的单分子公式 q=abC/(1+aC)式中a,b为常数 C为吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度g/L。为计算方便，将上式改为导数式，即：从上式可看出，与 成直线关系，利用这种关系可以求a，b的值。,(2)BET公式

4、BET公式表示吸附剂上有多层溶质分子被吸附的吸附模式，各层的吸附符合朗缪尔单分字公式。公式为式中 q0单分子吸附层的饱和吸附量，g/g Cs吸附质的饱和浓度，g/L B常数,（3）费兰德利希经验公式 q=KCI/n 式中q吸附量 C吸附平衡浓度g/L;K,n常数。将上式改写成对数式：lgq=lgK+(1/n)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。这条子线截距为K，斜率为1/n。1/n越小，吸附性能越好。一般认为 1/n=0.10.5时，容易吸附；1/n大于2时，则难以吸附。,三 吸附速度1.吸附速度：单位重量的吸附剂在单位时间内所吸附的物质的量。吸附过程可分为3

5、个阶段：膜扩散阶段，内部扩撒阶段，吸附反应阶段。因吸附反应阶段很快，所以吸附速度主要由前两阶段来控制。2.影响因素（1）吸附剂的性质：吸附剂的比表面积越大，吸附能力越强。（2）吸附质的性质 a溶解度:溶解度越低，越容易被吸附。b表面自由能:表面自由能降低的越多，越容易吸附。c极性 d吸附分子的大小和不饱和度 e吸附质的浓度,(3)废水的pH值活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液中有较高的吸附率。另外pH对吸附质的的存在状态及溶解度有影响，从而影响 吸附效果。（4）共存物质（5）温度吸附过程是放热过程，温度升高吸附量减少，反之增加。温度对气相影响较大，对液相影响较小。（6）接触时间应保证吸附质与吸

6、附剂有一定的接触时间，使吸附接近平衡。,四 吸附的操作方式 静态：在废水不流动的条件下，进行吸附操作 动态：在废水流动的条件下进行的吸附操作。废水处理中常用的动态设备有固定化床移动化床和流化床。1.固定床 当废水连续通过填充吸附剂的吸附设备时，废水中的吸附质便被吸附剂吸附。若吸附剂数量足够时，从吸附设备流出的废水中的吸附质的浓度可以降低为零。吸附剂使用一段时间后，出水中的吸附质的浓度降低到零。吸附剂使用一段时间后，出水中的吸附质的浓度逐渐增加，增加到某一数值时，应停止通水，将吸附剂进行再生，吸附和再生可在同一设备内交替进行，也可将失效的吸附剂卸出，送到再生设备中进行。,降流式固定床型吸附塔示意

7、图,（2）移动床 原水从吸附塔底部流入和吸附剂进行逆流接触，处理后的水从塔顶流出，再生后的吸附剂从塔顶加入，接近吸附饱和的吸附剂从塔底间歇的排除。,五 活性炭柱试验 炭柱在未出现出水泄漏之前存在三个区：失效区、吸附区和未利用区，随着过滤的进行，吸附区保持固定的高度向下推移。泄漏曲线的形状与进水水质、滤速及炭床高度有关，当v、L、一定时，污染物不同或炭的种类不同，曲线的斜率及泄漏时间随之变化，此外，出水水质要求越高，泄漏时间越早。设吸附区向前推进的速度为u，于是有：L=tdu Z=（td tc）u由上两式吸附区的厚度可按下式计算：Z=L（1 tc/td）式中，tc和td分别是炭床开始泄漏和枯竭的

8、时间，L是炭床厚度。,滤速越大，或者炭粒径越大，则Z值越大，炭床利用率越低；增大床厚度或减小滤速可增加接触时间（L/v），减小Z，延长tc，提高炭床利用率。,六 吸附剂的再生 再生：吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，用某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的细孔中出去，已达到重复使用的目的。加热再生法活性炭再生主要方法 药剂再生法 化学氧化法 生物法,低温（1）加热再生法 高温 高温加热法：脱水干燥碳化活化冷却 脱水：使活性炭和输送液体进行分离。干燥：加温到100150,将细孔中的水分蒸发，同时挥发低沸 点有机物。碳化：加热到 300700，高沸点有机物由于热分解，一部分成为低沸点的有机物

9、进行挥发；另一部分碳化，留在活性炭的细孔中。活化：将碳化的残渣进行活化，达到重新凿孔的目的。冷却：活化后用水急剧冷却，防止氧化。,高温加热再生法的优缺点优点：a所有有机物都可采用此法 b再生炭质量均匀 c再生时间短d不产生有机再生废液 缺点：a再生损失率高 b高温材料耗量大 c需严格控制温度和气体条件 d再生设备造价高,无机药剂再生：用无机酸或碱等使吸附在活（2）药剂再生法 性炭上的污染物脱附。有机溶剂再生：用苯、丙酮及甲醇等有机 溶剂萃取吸附在活性炭上 的有机物。特点：可在吸附塔内进行，设备和操作管理简单，单药剂的再生一般随再生次数的增加，吸附性能明显降低，需补充新炭，废弃一部分饱和炭。,湿

10、式氧化法：饱和炭用高压泵经热换器和水加 热器送入氧化反应塔进行氧化分解。化学氧化法 电解氧化法：将炭作阳极，进行水的电解，在 在活性炭表面产生的氧气把吸附质氧化分解。臭氧氧化法：利用臭氧把活性炭上的有机物分 解。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 氧化分解。,七 活性炭吸附法在废水处理中利用（1）活性炭对有机物的吸附 活性吸附法多用于去除用生物或物理、化学法不能去除的微量呈溶解状态的有机物。但一些有机物易吸附，一些有机物难以吸附，能否采用活性炭吸附法，应通过吸附试验来决定。（2)能否易被活性炭吸附的几个因素 1）分子结构 芳香族化合物比一般脂肪族容易被吸附。2）界面张力

11、越使液面张力减少的物质乐毅被吸附。,3）溶解度 活性炭是疏水物质，因此吸附物质的疏水性越强 越易被吸附 4）离子性和极性 在有机酸和胺类中，有的溶于水后呈弱酸性或弱碱性。这类有机物处于非离解的分子状态时要比离子化状态时的吸附量大 5)分子大小 分子量越大，吸附性越强。6)pH 将废水的pH值降低到23，再进行吸附，通常能增加有机物的去除率，因为废水中的有机酸形成离子的比例较小，故吸附量大。,7）浓度 一般有机物浓度增加，吸附量即呈指数增加。8)温度 一般温度可忽略 9）共存物质 有些金属离子的如汞、铬酸、铁等在活性炭表面将 发生氧化还原反应，生成物沉淀在颗粒内，妨碍吸附。（2）活性炭对无机物的

12、吸附 活性炭对无机物的吸附虽研究的较少，但证实活性炭对某些金属及其化合物有很强的吸附能力。如对锑、锡、汞、铅、镍、六价铬等具有良好的吸附能力。,八 活性炭吸附组合工艺 活性炭吸附技术能够有效去除水中污染物，但其制水成本相 对较高，而且其微孔结构不利于大分子有机污染物的去除，其广 泛应用受到了一定的限制。因此，活性炭吸附与其他水处理技术 的联合应用，往往能够产生更好的处理效果。下面将介绍几种常 见的活性炭吸附组合工艺。,（1）臭氧-活性炭组合工艺 臭氧作为强氧化剂，能使水中大分子有机物分解为小分子有 机物，提高有机物进入活性炭微孔内部的可能性，充分发挥活性炭的吸附表面，延长活性炭的使用周期。同时

13、臭氧还发挥了活性 炭所不具备的杀菌作用。而活性炭则能有效吸附臭氧在氧化过程 中产生的大量中间产物，包括解决臭氧无法去除的三卤甲烷及其 前驱物质，并保证了后出水的生物稳定性。因此，臭氧-活性 炭组合工艺自 1961 年开始使用以来，在世界发达国家得到了广泛 应用。,（2）高锰酸钾-活性炭组合工艺 高锰酸钾也是强氧化剂，能降解有机物、抑制藻类生长，随 着投加量的增加和接触时间的延长，其水处理效果较为理想。而 粉末活性炭对水中小分子有机物(分子量 3000)有很好的吸附作 用，有利于净水过程中去除色味。故常将两者组合用于常规净水 工艺流程中。,（3）生物活性炭法 生物活性炭技术是以粒状活性炭为载体，

14、通过富集或人工固 化微生物，在活性炭表面形成生物膜，利用活性炭的吸附作用和 生物膜的生物降解作用共同去除水中污染物 8。与普通生物法相 比，在相同的 HRT 下污染物停留时间更长，因而处理效果更好。同时，微生物的降解也能使活性炭再生，再生率高达 20左右。而活性炭也可减轻废水中有害物质对微生物的影响，从而消除微 生物降解的不利影响。但是，在使用该技术进行饮用水深度处理 时应避免预氯化处理，否则微生物不能在活性炭上生长。,（4）粉末活性炭-活性污泥组合工艺 该工艺是将粉末活性炭投加到活性污泥曝气池中，形成生物 活性炭，利用吸附、降解协同作用去除有机污染物。它一方面可 去除活性污泥法难以去除的有机

15、物，提高活性污泥的去除效率；另一方面使活性污泥具有优良的压密性，从而克服了污泥膨胀。,（4）活性炭-超滤组合工艺 超滤膜过滤工艺的显著优点是能有效去除水中的病原菌，但 其棘手的问题是膜阻塞和膜污染。活性炭-超滤膜组合工艺克 服了单一处理方法的弱点：在组合工艺中，利用活性炭对进水前 处理，能够去除各类有机化合物、水中大部分的浊度和色度，这 为后续膜过滤提供了保障，从而缓解膜阻塞和膜污染问题，延长 膜的使用寿命；用膜进行后处理则能有效解决出水中的细菌问题，保障出水水质。,（5）活性炭电解法 活性炭电解法是利用活性炭的导电性将其作为电极，先使活 性炭吸附污染物，再通过其电解作用进行氧化降解以去除水中

16、杂 质，是絮凝反应与自由基反应相结合的过程。活性炭的强吸附能 力能大大提高氧化性产物的利用效率，在相同条件下，活性炭固 定床电解槽与普通电解槽相比，可节省电耗 30 40。,活性炭吸附在水处理应用中主要具有如下优点：（1）活性炭对水中污染物有卓越的吸附能力，对用生物法和 其他方法难以去除的有机污染物和重金属有较好的吸附去除效果；（2）活性炭对水质、水温及水量变化具有较强的抗冲击负荷 能力，因而易于控制与管理；（3）活性炭吸附的“贵重”有机污染物和重金属易于回收利 用，且活性炭本身也能脱附再生。,九 活性炭吸附的应用与研究展望 活性炭可以吸附水中众多的金属离子和有机物，但在一 定条件下对特定的有

17、机物的吸附量很小。活性炭优良的吸附 性能源自于其巨大的表面积、发达的内部微孔结构和丰富的 表面官能团。从吸附模式上讲，Langmuir 和 Freundlich 模 式对于金属离子和有机物都是经典的经验模式，对于金属离 子表面络合模式更能表示变化条件下的吸附行为。但是所有 的吸附模式都是特定条件下的模拟，不具备实际的物理意 义，无法从本质上反应吸附过程。活性炭对吸附质的主要作 用有：离子交换作用、静电作用、扩散力、供-受电子交换 作用。,pH 通过改变吸附质和活性炭表面官能团的电离状态 而改变活性炭与吸附质之间静电作用的大小和性质，使活性 炭的吸附量增加或减少。当给定活性炭的性质、吸附质的性 质和溶液条件可以通过现有机理对水溶的吸附行为进行推 测。目前对于动态吸附模式和机理的研究相对缺乏，这方面 应进行深入的研究，同时在NOM背景下的吸附研究也需进一步展开。以后的研究方向应该是活性炭改性方面，高效的 性能优良的改性活性炭将成为热点。,谢谢！,