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岳冠华：勘察类注册工程师公共基础第三章普通化学教材编委，副教授；于北京某大学环境科学与工程系从事教学和科研工作，参加国家级课题研究多项，发表论文三十多篇；参加编写多本培训教材：注册工程师公共基础知识复习教程、注册工程师公共基础知识真题解析、注册电气工程师执业资格辅导教材等。
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吸 附
1.7 吸 附
吸附：溶液中的物质由一相向某种适宜的另一相界面上积累的过程。
在废水处理中，用吸附作用来去除废水中的污染物质时，一般都是通过固液界面的吸附来实现的，具吸附能力的多孔性固体物质称
为吸附剂。
1.7.1吸附原理
吸附是一种在两相界面上发生的表面现象，与物质表面张力和表面能的变化有关，符合热力学第二定律，可用吉布斯方程式表示：
式中，若某溶质能降低溶液的表面张力，即为负值， 为正值，产生正吸附，若某溶质能增加溶液的表面张力，则为正值， 为负值，产生负吸附，称为解吸。
1.7.2吸附的类型
⑴物理吸附：
特点是吸附热较小，低温就能进行，吸附是可逆的，吸附基本没有选择性。
⑵化学吸附：
特点是吸附热较大一般在较高温度下进行;当化学键力大时，吸附是不可逆的;吸附有选择性，一种吸附剂只对某种或几种吸附质发生化学吸附。
⑶离子交换吸附：
水处理中，吸附往往是由上述3种吸附综合作用的结果，但由于吸附质和吸附剂的不同以及其他因素的影响，可能某种吸附是主要的。
1.7.3吸附等温线
在温度一定的条件下，吸附容量随吸附质平衡浓度的增大而提高，吸附容量随平衡浓度而变化的曲线称为吸附等温线。
常见的吸附等温线有Ⅰ型和Ⅱ型两种类型。
Ⅰ型吸附等温线与朗格谬尔和弗兰德利希吸附等温式相对应，Ⅱ型吸附等温线与BET等温式相对应。应理解这几个公式，并掌握公式中各参数的计算过程。
1.7.4吸附速率
吸附速率是指单位重量的吸附剂在单位时间内所吸附的吸附质质量。
吸附速率越快，吸附质与吸附剂接触时间就越短，所需的吸附设备容积也就越小。
吸附速率取决于吸附质的传质过程，对于多孔吸附剂，传质分为以下三步：
①吸附质从溶液主体扩散到吸附剂外表面，这是吸附质透过吸附剂表面液膜的传质简称外扩散;
②吸附质由吸附剂颗粒的外表面，经颗粒内的细孔扩散到颗粒的内表面，简称内扩散;
③吸附质在吸附剂的表面上被吸附。
1.7.5常用吸附剂及影响吸附的主要因素
⑴常用吸附剂
活性炭、磺化煤、活化煤、沸石、活性白土、硅藻土、腐殖质酸、焦炭、木炭、木屑、炉渣和粉煤灰等，应用较多的是活性炭。
⑵活性炭的特性
①活性炭的比表面积和孔隙结构
活性炭具有巨大的比表面积和丰富的孔隙结构。比表面积可达500～1700m2/g，其中小孔容积一般为0.15～0.9ml/g，表面积占比表面积的95%以上，过渡孔容积一般为0.02～0.1ml/g，表面积占比表面积的5%左右，而大孔容积一般为0.2～0.5ml/g，表面积很小，只有0.5～2m2/g。
②活性炭的表面化学性质
由于活性炭表面有—OH基等，所以具有一些极性。
⑶影响活性炭吸附的主要因素
①活性炭吸附剂的性质
其表面积越大，吸附能力就越强; 活性炭是非极性分子，易于吸附非极性或极性很低的吸附质;活性炭吸附剂颗粒的大小，细孔的
构造和分布情况以及表面化学性质等对吸附也有很大的影响。
②吸附质的性质
取决于其溶解度、表面自由能、极性、吸附质分子的大小和不饱和度、附质的浓度等。
③废水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。
PH值会对吸附质在水中存在的状态及溶解度等产生影响，从而影响吸附效果。
④共存物质
共存多种吸附质时，活性炭对某种吸附质的吸附能力比只含该种吸附质时的吸附能力差。
⑤温度
温度对活性炭的吸附影响较小
⑥接触时间
应保证活性炭与吸附质有一定的接触时间，使吸附接近平衡，充分利用吸附能力。
1.7.6吸附操作方式
⑴静态吸附
适用于处理水量小或吸附剂性质特殊的情况下。
⑵动态吸附
废水在流动时进行的吸附为动态吸附，其工艺可分为固定床、移动床、流化床三种。
固定床：在水处理工艺中常用。由于处理水量、原水水质和处理出水水质指标的不同，工程中可采用单床、多床串联和多床并联等三种操作方式。移动床和流化床在废水处理中应用较少。
1.7.7吸附床的设计
⑴吸附试验
①确定吸附容量试验
主要是确定吸附容量公式中各参数关系并求出相应的吸附等温线。
②确定吸附速率试验
测定不同时间水样中溶质浓度，直到浓度不再变化为止，根据数据求出吸附速率。
③装置试验
选用直径为100～150mm、高为1.5～2.5m的吸附柱装置，吸附剂层厚度约1.0～1.5m。可进行多床串联试验，并绘制穿透曲线，利用
此曲线确定使吸附容量得以充分利用的吸附操作方式。
⑵主要设计参数
包括吸附塔直径(1～3.5m)、充填层厚度(3～10m)、充填层与塔径之比(1：1～4：1)、活性炭粒径(0.5～2.0mm)、接触时间(10～50min)、容积线速度、过滤线速度(升流式：9～25m/h，降流式：7～12m/h)、反冲洗线速度、反冲洗时间(3～8min)、反冲洗周期(8～72h)、反冲洗膨胀率等。
1.7.8活性炭吸附法在水处理中的应用
广泛应用于在城市污水处理、饮用水及工业废水处理。
⑴城市污水处理
废水中的一些有机物是难于为微生物或一般氧化法所氧化分解的，如酚、苯、石油及其产品、杀虫剂、洗涤剂、合成染料、胺类化合物以及许多人工合成有机物，经生化处理后很难达到对排放要求较高的水体中排放的标准，也严重影响废水的回用，因此需要深度处理。
由于活性炭对有机物的吸附能力大，在废水深度处理中得到广泛的应用，具有以下优点：
①处理程度高，城市污水用活性炭进行深度处理后，BOD可降低99%，TOC可降到1～3mg/L。
②应用范围广，对废水中绝大多数有机物都有效，包括微生物难于降解的有机物。
③适应性强，对水量及有机物负荷的变动有较强的适应性能，可得到稳定的处理效果。
④粒状炭可进行再生重复使用，被吸附的有机物在再生过程中被烧掉，不产生污泥。
⑤可回收有用物质，例如用活性炭处理含酚废水，用碱再生吸附饱和的活性炭，可以回收酚钠盐。
⑥设备紧凑、管理方便。
⑵饮用水深度处理中的应用
活性炭吸附是建立在常规给水处理基础上，一般设置在砂过滤之后，也可与砂滤料组成双层滤料过滤或以活性炭过滤代替砂过滤。在利用活性炭吸附进行饮用水深度处理的过程中，发现在活性炭滤料上生长有大量的微生物，使出水水质提高且再生延长，于是发展了一种经济有效的去除水中的微污染物质的生物活性炭工艺，流程为原水—(加入混凝剂)—澄清—过滤(加入臭氧)再利用活性炭吸附，最后是出水。
⑶工业废水处理中的应用
很多工业废水很难或不能采用生化处理，采用其他方法时，有的不能达到排放标准，或运行费用较高，或操作较麻烦等，例如有毒的有机化合物和某些金属及其化合物等。工程实践表明，活性炭对这些物质有很强的吸附能力。例如：
某染料厂排放废水量为320m3/d，主要污染物二硝基氯苯为1000～1200mg/L，酸(以硫酸计)0.5%，工艺流程为：先进入调节池(50～60摄氏度)，冷却沉降后进入废水池(30～40摄氏度)，再用固定床式吸附塔进行吸附，经石灰石膨胀中和滤池后排放，其中冷却沉降的结晶二硝基氯苯可以回收。吸附塔的工艺参数：滤速14～15m/h;接触时间0.25h，采用二塔串联，一塔备用，塔径900mm，塔高5m，每塔装活性炭2.0m3，重1.09t，装炭高度3.2m，经处理后，吸附塔进水二硝基氯苯为700mg/L，出水为5mg/L，PH值大于6，达到排放标准。
