大学水质第6章++吸附

取倒数：
C = 1 + B−1• C (CS − C )q Bq0 Bq0 CS
BET公式包括了朗谬尔公式：
设B = Cs m来自，且C<<Cs，则BET公式可写成：
q=
CS / m • Cq0
=
CS / m • Cq0
(CS − C )⎩⎨⎧1+ ⎢⎣⎡(CS / m) − 1⎥⎦⎤C / CS ⎭⎬⎫ CS ⎢⎣⎡1+ (C / m − C / CS )⎥⎦⎤
6.1 吸附概述 朗格谬尔公式：
q = abc 1 + ac
取倒数式：
1 111 = •+
q ab c b
6.1 吸附概述
3.BET公式（多层吸附）
q
=
(Cs
−
BCq0
C)[1+ (B −1)C
/ CS
]
式中:qo—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； C—平衡浓度，g/L
6.1 吸附概述
6.1.2 等温吸附模型
吸附等温线试验：在恒定温度下，于几个烧杯中放入容积 为V（L）溶质浓度为C0（mg/L）的水样，在各烧杯中同时投 加不同量m（mg）的活性炭，分别进行搅拌。试验过程中， 不断测定各杯水样中的溶质浓度Ci，直到溶质浓度不变时的 平衡浓度Ce（mg/L）为止。
吸附容量：单位重量活性炭可吸附的溶质质量。
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。
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
qe
=
V
(C0 − m
Ce )
(mg
/
g)
吸附等温线：由吸附容量和平衡浓度的关系所绘出的曲线。 表示吸附等温线的公式称为吸附等温式。
6.1 吸附概述
吸附等温式（三种） l 弗里德里希（Freundlich)公式 l 朗格谬（Langmuir）公式 l BET公式
6.1 吸附概述
弗兰德利希（Frenudlich）吸附等温式：
设计流量确定后，由接触时间可以计算活性炭床厚度或 用量和确定活性炭池的容积，由泄露时间可以知道炭床的 利用率和再生系统的规模。
接触时间短活性炭床容积减少，但泄露时间提早以致再生 周期较短；反之，则容积增大，但延缓泄露时间使再生周 期延长，再生次数减少。牵涉到炭床容积和再生频率的选 择问题。
6.2 活性炭吸附
吸附速度V决定了废水和吸附剂的接触时间， V越大，则接触时间越短，所需设备容积就 越小，反之亦然。
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)
活性炭柱试验装置：与过滤试验基本相似，炭柱 内径在5cm以上，以减少管壁对水流的影响。 活性炭装入炭柱之前在室温下浸泡24h以除去 气体。
试验目的：求出吸附泄露曲线，以得到设计所需 的数据。
试验测定指标：过滤的水量、按一定时间间隔取 样分析（每次取水样量不多于10%的炭床 容积）。试验进行到炭床完全饱和，即水质的 溶质浓度等于进水溶质浓度时为此。
吸附作用使水中溶解杂质在炭粒表面上的浓缩过程，所有 炭的比表面积大小是影响吸附性能的重要因素，正因为 活性炭的巨大比表面积，因而显示良好的吸附性能。
活性炭种类：粉末炭PAC和颗粒炭GAC，吸附性能本质上 没有差别
粉末炭：粒径10~50µm，一般和混凝剂一起连续投加于原 水中，经混合、吸附水中有机和无机杂质后，粘附在絮 体上的炭粒大部分在沉淀池中成为污泥后排除，常应用 于季节性水质恶化时的间歇处理以及粉末炭投加量不 高时。
l 糖蜜值：一定条件下活性炭吸附糖蜜的量，表示活性炭 对大分子物质的吸附性能。
l 四氯化碳吸附值 l 亚甲蓝指数 l 苯酚吸附值 l BET（Brunauer-Emmel-Teller）面积：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。
吸附速度
V = q / t [g /(g •min)]
为什么吸附剂有吸附能力呢？这主要与表面张力、表面能 的变化有关。
吸附—脱附
6.1 吸附概述
两种类型： 1. 物理吸附：靠分子间力产生的吸附，可吸附多种吸附质，可形成 多分子吸附层。范德华力
吸附━解吸是可逆过程，吸附热较小，在低温下就能吸附。 过程是可逆的，易解吸（被吸附的分子由于热运动还会离开吸附剂
表面）相对没有选择性，可吸附多种吸附质（由于分子力是普遍存 在的），但吸附质极性不同，吸附量不同。 可形成单分子吸附层或多分子吸附层
2. 化学吸附：由化学键力引起的吸附。 吸附热大，一般在较高温下进行。 具有选择性，单分子层吸附。 化学键力大时，吸附不可逆。
上面二种吸附往往是相伴发生，而不能严格分开，是几种吸附综合 作用的结果，可能存在以某种吸附为主。
吸附区高度计算公式：
Z
=
⎛ L ⎜1 −
⎝
tc td
⎞ ⎟ ⎠
L − −炭床厚度，m
tc − −从开始进水到炭柱泄露的时间，h td − −从开始进水到炭柱耗竭的时间，h
吸附区高度的影响因素： 流量越大吸附区高度增大，炭床的利用率下降 活性炭的粒径越小、吸附区高度也减小，炭床的利用率提高。 活性炭的最佳平均粒径0.8~1.7mm：既有良好的水力性能，又
活性炭的性质—化学性质
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。
活性炭的性质—吸附性质
l 碘值：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。
活性炭柱试验 作用：研究流量、炭粒尺寸、吸附区高度、竞争吸附、水温
等因素对吸附的影响并作出评价。
活性炭池设计的两个重要参数：水和炭的接触时间、泄露时间 水和炭的接触时间：活性炭床容积除以流量、或炭床厚度除
以流速所得出的时间。
泄露时间：流量一定时，从活性炭池开始进水到出水开始不 符合水质要求时所经历的时间。
=
1/ 1
m• +C
Cq0 /m
令a=1/m，b=qo
q = abc 1 + ac
……朗格谬式
6.1 吸附概述
BET公式可以适应更广泛的吸附现象。
※吸附量q是选择吸附剂和吸附设备的重 要参数，q决定吸附剂再生周期的长短 ，q越大，再生周期越长，再生剂用量 及其费用越小。q通过吸附试验来确定。
6.2 活性炭吸附
活性炭出 水溶质溶度 对过滤时间t 的关系图
泄露（穿透点）： 出水浓度达到最大 允许值Cc时 耗竭（饱和点）： 出水浓度等于 90%-95%进水浓度 时的点Cd 泄露曲线： 从泄露到耗竭时的 一段S形曲线。
6.2 活性炭吸附
泄露曲线的形状：和进水水质、水量以及活性炭容 积有关。
流量和活性炭床容积已定即接触时间一定时，如污 染物和活性炭的种类不同，曲线的斜率和泄露时 间随之发生变化，表现在S形曲线有时很陡、有 时则延伸很长。
吸附剂 具有一定吸附能力的多孔物质都可以作吸附剂。有活性炭、
活化煤、焦炭、煤渣…… 活性碳是水处理中应用最为广泛的吸附剂。 原料：木材、煤，经高温炭化和活化而成。 碳化：把原料热解成碳渣，温度：300－400度， 活化：形成发达的细孔。两种办法。气体法：通入水蒸汽，
温度在920－960度；药剂法：加入氧化锌、硫酸、磷酸等 活性炭吸附：有效去除水的臭味、天然和合成的溶解有机物
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。
6.2 活性炭吸附
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。
（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。
6.2 活性炭吸附
单一活性炭滤柱：适用于间歇运行、泄露曲线坡度较大、 柱内活性炭可以使用很长时间无需经常换炭和再生。
多柱系统：适用于处理的流量较大、需连续运行、单柱的 尺寸或高度过大受场地限制。
并联系统：3~4个活性炭柱，水泵扬程较大，动力较省。 串联系统：前柱出水为后柱进水；适用于泄露曲线坡度
较小、处理单位水量的用炭量较大、要求较好的出水 水质；第1柱活性炭耗竭后，即停止运行准备再生，第2 柱换成第1柱，同时最后一只新鲜的备用炭柱投入使用 ，如此顺序依次运行，以确保水质。
1
qe = KCen qe − −吸附容量，mg / g C − −平衡浓度，mg/L K − −常数 n − −常数
1 lg qe = lg K + n lg Ce
1/n越小，吸附性能越好，1/n=0.1~0.5，容易吸附； 1/n>2，则难吸附。 1/n较大则采用连续吸附，反之采用间歇吸附。