活性炭知识

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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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 （（22）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 ee KCq = ee lgCn 1lgKlgq += 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 maxe C1 bC qq ++= 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(CkV e11 θ−= θ22 kV = 7 吸附达到平衡状态时： V1＝V2 e e 21 1 211 21 bC1 bC )1( +=+= += =− kCk Ck kCkCk kCk e e ee e θ θθ θθ 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 maxe C1 bC qq ++= Longmuir吸附等温式（续2） bq 1) C 1 bq 1( q 1 maxemaxe +⋅= 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。 – 视密度（或称为堆密度）是活性炭及堆放间隙在内 的密度 – 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 中孔 ＞1~2；＜25 大孔 ＞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 ¾酸性官能团有：羧基、酚羟基、醌型羧基、正内酯基 ¾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 ¾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 ¾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 ¾温度在500～800℃之间制造的活性炭则具有酸碱两性 （（22）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 ¾ 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； ¾ 糖蜜值则表示活性炭对大分子物质的吸附性能。 ¾ 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 （（33）其他因素）其他因素 „ pH值：如苯酚，当pH＜6时，苯酚很容易被吸附，当pH＞10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吸附 22 （2）颗粒炭穿透曲线 • 水连续地通过吸附装置时，随着时间的推移，出水中污染 物质的浓度逐渐上升，称为污染物的“穿透”现象。 吸附装置达到饱和后，出水 中污染物浓度几乎完全与进水 相同，吸附装置失效。 CA为穿透点；CB为饱和点。 „ 比通水量（通水量体积/活 性炭体积）更能够反映活 性炭的吸附性能。 23 • 定义：吸附过程中在活性炭层中有一段特殊的位置，活性炭对 污染物的吸附集中发生在该段中，该段前端的活性炭可以看作未 吸附的炭，后端的活性炭都可以看作已经吸附饱和的炭，该段活 性炭则被称为吸附带（MTZ）。[正在发生作用的活性炭层] • 特点 – 在吸附带中，活性炭的饱和程度从 0到100% – 由于吸附带中炭不能被全部利用，所以吸附带的长度影响整 个活性炭层的使用率。 – 吸附速度越快、吸附带的长度越短、活性炭层的利用率越高 （3） 吸附带 24 （4）空床接触时间 空床接触时间（EBCT）的物理意义是在吸附装置中不加任 何填料情况下过水的水力停留时间。 从经济性上看，EBCT越小越好，从吸附效果上看，EBCT越大越好。 （5）临界穿透浓度及吸附柱临界深度 临界穿透浓度Ccri是指可以接受的污染物最大出水浓度。当 出水浓度大于该值时，表明吸附装置已经失效，活性炭需要更 换了。 （（66））活性炭的利用率（CUR） 单位处理水量所需要的活性炭质量 25 8.3 活性炭吸附的应用 8.3.1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 26 8.3.2 粉末炭的应用 „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 （1）优缺点及适用条件 27 （2）设计参数 • 投加量：投量范围是 2～20mg/L ，或烧杯试验 • 接触时间：去除不同的物质接触时间不同。 • 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 • 投加方式及设备：干投和湿投 28 （3）粉末炭应用的其他方式 • 哈贝雷工艺 • 粉末炭+膜 • 粉末炭+高锰酸钾 • 粉末炭+活性污泥 29 8.3.3 粒状活性炭的应用 （1）分类 „ 按使用位置不同 „ 滤前吸附：放置在混凝沉淀以前的炭滤池，由于吸附量比较 大，再生的频率比较高并需另设吸附滤池。 „ 滤后吸附：在滤池后建吸附滤池，也需要增加基建投资 „ 过滤吸附：基建费用比较低。但反冲洗的频率要比滤后吸附 滤池大 „ 按水流方向 „ 固定床 „ 移动床 „ 流动床 30 ‹粒状活性炭吸附装置可以分为重力式或者压力式 „压力式过滤吸附装置可调节流速，可在工厂预制，尺寸较小， 用于产水量比较小的情况。 „重力式滤池用于水量比较大而且水量的变化不大的情况。 ‹从流程形式上，吸附器可分为单个反应器或多个反应器。 „单个反应器中的活性炭使用率比较低。出水超出所需要的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 时，整个过滤装置中的活性炭需要更换。 „多个反应器同时使用则可以提高活性炭的使用率。 ‹从水的流向上，可以分为上向流和下向流两种。 „ 一般的膨胀床采用上向流方式； „ 重力式活性炭滤池及大部分压力过滤装置都采用下向流方式。 （2）吸附装置形式 31 吸附装置形式（续） 固定床 移动床 流动床 32 活性炭吸附装置形式 33 （3）设计要点 • 进入吸附装置的水质浊度拟＜5NTU，吸附装置构造应使水 与炭能充分接触，失效炭能及时排出，新炭能得到及时补 充。 • 过滤方式要根据处理原水的情况而定，固定床虽有利于悬 浮物去除但对于有机负荷过大的原水，固定床易导致厌气 性，为避免悬浮物和生物产生粘浓堵塞炭层，固定床和降 流式移动床必须重视反冲洗。可设表面冲洗或空气冲洗。 冲洗水应尽量用炭滤水，至少应为过滤水。 • 当进入炭层的水质浊度较高，或前级处理欠佳时，反冲洗 后的初滤水应考虑排出。 • 炭层滤速的确定要与吸附塔的活性炭填充量、吸附效率、 再生频度等进行综合考率。 34 设计要点（续） • 固定床应根据活性炭的更换情况，考虑池子备用要求。移动床 由于炭可能全部排出，也应考虑备用因素。 • 吸附装置中与活性炭接触的钢、铝、铜等材质，应注意电化学 腐蚀。输炭管道应考虑对炭的摩损，适宜用质量良好的聚氯乙 烯管道。 • 每座炭塔或炭床应有流量调节设施或计量装置，以便于控制。 35 8.3.4 活性炭纤维的应用 （1） 活性炭纤维优缺点 „ 活性炭纤维含碳量高，孔径分布窄，微孔发达，容易与吸附质 接触 „ 活性炭纤维对一些芳香族化合物的吸附系数高于粒状活性炭对 这些芳香族化合物的吸附系数5～10倍。 „ 活性炭纤维的导电性好，因此可以做成活性炭纤维电极。 „ 活性炭纤维再生比较容易，重复使用性好。 „ 活性炭纤维产品的价格还比较高 （2）应用 活性炭纤维有着广泛的应用。如溶剂的回收，空气的净化，水 中脱氯，饮用水处理以及空气过滤等等。 36 8.3.5 臭氧—生物活性炭 •活性炭能比较有效地去除小分子有机物，难以去除大分子有机物。 但在活性炭前投加臭氧后，一方面氧化了部分有机物，另一方面使水 中部分大分子有机物转化为小分子有机物，改变其分子结构形态，提 供了有机物进入较小孔隙的可能性，从而达到水质深度净化的目的 •在20世纪60年代发明以来，在欧洲、美国、日本等发达国家广泛采 用。 •此工艺对氨氮（NH3-N）和总有机碳（TOC）的去除比单独采用臭氧 或活性炭处理要高出70％～80％和30％～75％。 37 臭氧生物活性炭（续） • 生物活性炭系统受温度影响很大 • 有时臭氧氧化所起到的作用不大。 • 存在某些问题，如耗电量较大；在处理过程中会有各种代谢产 物及微生物本身进入水中。 38 8.4 活性炭的再生 „ 给水处理中的活性炭的使用时间稍微长一些，污水处理中使用 的活性炭很快就会达到吸附饱和。不管是粒状炭还是粉末炭，当吸 附达到一定程度后，活性炭的吸附性能开始下降，直到吸附达到饱 和，此时活性炭就需要更换了。 „ 更换下来的大量活性炭如果被废弃，将会使运行费用增大，因 此往往通过再生使其吸附性能得到恢复以达到重复利用的目的。 „ 所谓再生，即采用一些特殊的方法，可以是物理方法、化学方 法、生物方法等等，将吸附在活性炭表面的吸附质除去，恢复活性 炭吸附能力。 „ 一般粉末炭由于颗粒太小难于再生，再生的一般都是粒状炭。 „ 粒状活性炭的再生方法有热再生法、化学药剂再生法、化学氧 化再生法、生物再生法、湿式氧化再生法、超声波再生法等等。 39 8.5 水处理过程中的其他吸附剂 8.5.1 沸石 „ 沸石是一类疏松的网架状铝硅酸盐矿物。 „ 天然沸石所具有的离子交换和吸附性质，它可以被制成各种复合吸 附剂或离子交换剂，用来处理含金属离子废水。 „ 但是天然沸石的吸附性能往往比较差。 „ 天然沸石由于其本身 结构的局限使其应用 受到限制，常用的是 经人工处理的沸石。 „ 多孔天然沸石颗粒对 铜离子有较强的吸附 性。 40 沸石在水处理中的用途 • 有机污染物吸附剂 利用沸石的高选择性和吸附性能，开发出 有机污染物吸附剂。 • 氨氮去除剂 沸石因具有对阳离子的选择性交换能力以及可再 生能力可以被用来去除水中氨氮。 • 作为离子交换剂使用 沸石具有优良的离子交换性能，可以用 来作为硬水软化以及工业废水中重金属离子去除的离子交换剂。 • 废水滤料 沸石表面粗糙、比表面积大、吸附能力强，属于 天然轻质滤料，可以用来去除悬浮物，藻类等等。 41 8.5.2 硅藻土 „ 硅藻土是一种硅质沉积岩，其化学成分可以用Si·H2O表示。 „ 除氢氟酸以外，硅藻土不溶于其他酸，但易溶于碱。 „ 硅藻土中的孔半径为 5～80μm，孔隙度为 0.43～0.87m3/g。 „ 硅藻土具有多孔性、低密度、比表面积大等特点， „ 价格低廉、资源丰富。 „ 在水处理领域，硅藻土大多用在废水处理领域，如处理造纸废水、 印染废水、部分重金属离子废水。 „ 硅藻土用水冲洗即可再生，恢复其吸附性能。 42 8.5.3 粉煤灰 „ 粉煤灰是火力发电厂等燃煤锅炉排放出的废渣。含有大量以活性氧 化物SiO2和A12O3为主的玻璃微珠，因此具有很好的吸附性能，又 是一个铝的二次资源宝库。 „ 粉煤灰表面成多孔结构，其孔隙率一般为60％～70％，比表面积较 大，且其表面上的原子力都呈未饱和状态，使得粉煤灰具有较高的 比表面能和较好的表面活性。 „ 粉煤灰对于阳离子特别是重金属离子具有很好的吸附效果。 „ 研究表明，粉煤灰对废水中 Cr6＋吸附速率与 Cr6＋浓度成线性关 系， Cr6＋的去除主要是粉煤灰的吸附作用。 „ 粉煤灰对于Hg2＋的吸附效果甚至比活性炭优异。 „ 粉煤灰具有较大的比表面积和静电吸附作用。 „ 粉煤灰还具有显著的去除COD和脱色效果。