PDF《第8章吸附》

第8章吸附主要内容?吸附概述?活性炭吸附 ? 活性炭吸附的应用 ? 活性炭的再生 ? 水处理过程中的其他吸附剂

2 8.

1 吸附概述8.1.1 吸附现象 (1) 几个基本概念 ? 吸附:在两相界面层中,某物质浓度能够自动地 发生富集的现象. ? 吸附剂:具有吸附能力的物质,称作吸附剂. ? 吸附质:被吸附在吸附剂表面的物质则称为吸附质. ? 脱附: 吸附在吸附剂机剂表面的吸附质从吸附剂 表面脱落.

3 ( (2 2)吸附机理 )吸附机理 吸附过程是一个自发过程,吸附可以用化学反应式表示 A+B A・B 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). 吸附和脱附的速度一般随吸附质浓度的增加而增大. (3) 分类 ? 物理吸附 ? 化学吸附

4 8.1.2 等温吸附模型 ? 吸附剂的重要特性就是它所能吸附的吸附质的量. ? 影响吸附剂吸附量的主要因素包括溶液浓度和温度 . ? 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.

5 (1)弗里德里希(Freundlich)吸附等温式 Freundlich吸附等温式是一个经验公式,表达形式为: n /

1 e e KC q = e e lgC n

1 lgK lgq + = 对等式两边取对数可将等式线性化为 说明: 1. 参数K主要与吸附剂对吸附质的吸附容量有关,而1/n是吸附力的函数. 2. 对于确定的Ce和1/n,K值越大吸附容量qe越大. 3. 对于确定的K和Ce, l/n值越小吸附作用越强. 4. 当1/n值很小时,吸附容量几乎与Ce无关,吸附等温线逼近水平线. 5. 若l/n 值大,则吸附作用力弱,qe随着Ce的微小改变而产生明显的改变. 6. 吸附常数K以及l/n可以通过实验确定.

6 Longmuir吸附等温式是一个理论公式,形式如下: (2)朗格谬(Langmuir)吸附等温式 e e max e C

1 bC q q + + = A+B A・B 模型认为,被吸附的分子之间不存在作用力,吸附为动态 平衡: 设θ为某一平衡时刻吸附剂 (如活性炭)表面被覆盖的百分比,溶液平 衡浓度为Ce.设吸附速度V1,脱附速度V2 ,即存在如下两式: )

1 ( C k V e

1 1 θ ? = θ

2 2 k V =

7 吸附达到平衡状态时: V1=V2 e e

2 1

1 2

1 1

2 1 bC

1 bC )

1 ( + = + = + = = ? k C k C k k C k C k k C k e e e e e θ θ θ θ θ 联立上述两式,则有: b=k1/k2 Longmuir吸附等温式(续1)

8 设表面最大吸附量为qmax,平衡时的吸附量为qe则max e q q = θ 上式变形得: e e max e C

1 bC q q + + = Longmuir吸附等温式(续2) b q

1 ) C

1 b q

1 ( q

1 max e max e + ? = 由此可求得b和qmax. 代入上式得:

9 19.2 活性炭吸附 19.2.1 活性炭简介 (1)活性炭分类 粉末炭(PAC) 粒状炭(GAC) (2)活性炭的特点 粉末活性炭对嗅味有机物有良好的吸附性能,用于 去除水中的臭和味 粒状活性炭是良好的生物载体,与臭氧联用,可有效 控制难生物降解有机物.

10 活性炭简介(续) (3)活性炭的应用 给水预处理及深度处理 城市污水的三级处理 重金属废水处理 有机工业废水处理 (4)活性炭的制备 炭化:隔绝空气条件下对原材料加热,温度在600℃以下 活化:氧化剂的作用下,对炭化后的材料加热,以形成产品 温度在800~900℃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

11 8.2.2 活性炭的性质 (1)物理性质 ? 比表面积:活性炭具有巨大的比表面积,可达到1000 m2/g 以上. ? 孔隙:活性炭的重要特征是具有发达的孔隙结构.孔隙 可分为三类,即微孔,中孔和大孔. ? 粒度:粒度大小将活性炭分为粒状炭和粉末炭.粉末炭 的直径小于 0.074mm(即200目),粒状炭的直径大于 0.1mm(大于140目)

12 活性炭物理性质(续1) ? 密度:活性炭密度分为视密度和湿密度. C 视密度(或称为堆密度)是活性炭及堆放间隙在内 的密度 C 真密度是去除了堆放间隙后活性炭本身的密度 ? 强度:强度不够造成的过度损耗会降低活性炭使用的 经济性 ? 灰分:表明了活性炭中无机成分的含量, 5%~8%.

13 孔隙分类 尺寸分布(nm) 微孔 1~2;

25 活性炭孔隙分类 活性炭物理性质(续2)

14 ? 活性炭的化学性质一般是指活性炭的表面性质 ? 活性炭的表面氧化物可分成酸性的和碱性两大类 ?酸性官能团有:羧基、酚羟基、醌型羧基、正内酯基 ?碱性氧化物的说法有分歧,但氢和氧的存在对其吸附和特性有 影响 ? 活性炭表面的氧化物成分主要受活化过程的影响 ? 温度在300~500℃以下用湿空气制造的活性炭中,酸性氧化物 占优势 ?温度在800~900℃下,用空气、蒸汽或CO2 为活化氧化剂制造 的活性炭中,碱性氧化物占优势 ?温度在500~800℃之间制造的活性炭则具有酸碱两性 ( (2 2)化学性质 )化学性质

15 活性炭化学性质(续) ? 酸性氧化物使活性炭具有极性 酸性基团与它们间形成的氢键比和水之间所形成 的氢键强,可置换水而被吸附.为了避免形成类似羧 基的基团,活化温度必须控制在900℃附近.

16 ? 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 ? BET面积是一个理论上非常有用的参数 BET面积的物理意义是在活性炭表面饱和吸附一层氮气分子 时氮气分子所占据的活性炭表面积.在可以根据氮气吸附量来 确定BET面积.BET面积是针对氮气分子而言的,在水处理 中,许多吸附质的分子尺度远远大于氮气分子,因此,并不是 所有BET面积都可以在水处理过程中得到应用. (3)吸附性质

17 8.2.3 影响活性炭吸附性能的因素 (1) 活性炭的性质 (2)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,平衡吸附量难以进人 孔隙中而降低 ? 活性炭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

18 容易吸附的有机物 不易吸附的有机物 芳香族溶剂,如苯、甲苯、硝基苯 低分子有机物、如酮、酸 氯代芳香化合物,如氯酚 糖类、淀粉 多球芳香化合物 大分子有机物或者胶体 杀虫剂及除草剂,如莠去津 氯化物,如四氯化碳,三氯乙烯、溴仿 高分子烃类,如燃料,汽油、腐殖酸等 低分子脂肪化合物 容易吸附和不易吸附的有机物

19 ( (3 3)其他因素 )其他因素 ? pH值:如苯酚,当pH10时 ,苯酚大部分电离为离子状态容易脱附下来 ? 无机离子组成以及含量:如水中增加了 CaC12后,会由于黄腐酸 与钙离子的交联与络合而使黄腐酸的吸附容量增大. ? 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. 影响活性炭吸附性能的因素(续1)

20 影响活性炭吸附性能的因素(续2) (4)活性炭与水处理化学药剂的反应 水处理过程中,活性炭常常和氧化性的物质,如氧、氯、二氧化氯、高锰酸盐反应.如HClO+C* → C* O+H++Cl- OCl-+C* → C* O+H++Cl- 说明:以上反应可以用以去除水中的余氯.在反渗透程中,反渗透膜之 前常设活性炭滤柱,去除有机物的同时保证余氯浓度控制在安全范围之 内.

21 8.2.4 活性炭吸附过程 (1) 传质过程 ? 吸附质在主体溶液中的传质 ? 吸附质在活性炭表面水膜中的传递 ? 吸附质分子在孔内的扩散 ? 最终在活性炭表面的........