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吸附作用的基本原理与操作方式
吸附作用的基本原理与操作方式
发布时间:2018-1-26 17:05:40      来源:4001百老汇会员登入     

吸附作用的基本原理

一、固体表面上的吸附作用:

在固体和气体或固体和液体组成的两相体系中,在相界面上出现的气相组分或溶质组分浓度升高(常称为浓缩)的现象,称为固体吸附。这种对溶质有吸附能力的固体称为吸附剂,而被固体吸附的物质称为吸附质。

根据固体表面吸附力的不同,吸附可分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三种类型。若吸附剂和吸附质之间是通过分子间的引力(即范德华力)而产生的吸附,称为物理吸附。由于分子引力普遍存在于各种吸附剂与吸附质之间,故物理吸附无选择性。另外,物理吸附的吸附速度和解吸速度都较快,易达到平衡状态。一般在低温下进行的吸附主要是物理吸附。

若吸附剂与吸附质之间产生了化学作用,生成化学键引起的吸附,称为化学吸附。由于生成化学键,所以化学吸附是有选择性的,且不易吸附与解吸,达到平衡慢。化学吸附放出的热很大,与化学反应相近。化学吸附速度随温度升高而增加,故化学吸附常在较高温度下进行。

一种吸附质的离子,由于静电引力,被吸附在吸附剂表面的带电点上,由此产生的吸附称为离子交换吸附。由于这种吸附兼有吸取现象,故又可总称为吸着。在这种吸附过程中,伴随着等当量的离子交换。如果吸附质的浓度相同,离子带的电荷越多,吸附就越强。对电荷相同的离子,水化半径越小,越能紧密地接近于吸附点,越有利于吸附。

二、等温吸附规律——平衡吸附模型:

在温度固定的条件下,吸附量与溶液浓度之间的关系,称为等温吸附规律。表达这一关系的数学式称为吸附等温式。根据这种关系绘制出的曲线图,称为吸附等温线。人们已经提出了好几种等温吸附理论模式来描述吸附规律,其中主要有以下三种。

(一)弗兰德利希吸附等温式

(二)朗格缪尔吸附等温式

(三)BET吸附等温式

三、吸附速度——吸附动力学:

所谓吸附速度是指单位重量吸附剂在单位时间内所吸附的物质量。在废水处理中,吸附速度决定了废水和吸附剂的接触时间。吸附速度越快,所需的接触时间就越短,吸附设备容积也可以越小。

吸附速度决定于吸附剂对吸附质的吸附过程。多孔吸附剂对溶液中的吸附质吸附过程基本上可分为三个连续阶段:第一个阶段称为颗粒外部扩散(又称为膜扩散)阶段,吸附质从溶液中扩散到吸附剂表面;第二阶段称为孔隙扩散阶段,吸附质在吸附剂孔隙中继续向吸附点扩散;第三阶段称为吸附反应阶段,吸附质被吸附在吸附剂孔隙内的表面上。一般而言,吸附速度主要由膜扩散或孔隙扩散速度来控制。

根据实验得知,颗粒外部膜扩散速度与溶液浓度成正比。对一定重量的吸附剂,膜扩散速度还与吸附剂的表面积(即膜表面积)的大小成正比。因为表面积与颗粒直线成反比,所以颗粒直径越小,膜扩散速度就越大。另外,增加溶液和颗粒之间的相对运动速度,会使液膜变薄,可以提高膜扩散速度。

孔隙扩散速度与吸附剂孔隙的大小及结构、吸附质颗粒大小及结构等因素有关。一般来说,吸附剂颗粒越小,孔隙扩散速度越快,即扩散速度与颗粒直径的较高次方成反比。因此,采用粉状吸附剂比粒状吸附剂有利。其次,吸附剂内孔径大可使孔隙扩散速度加快,但会降低吸附量。对这种情况,就要根据使用的工艺条件来选择最适宜的吸附剂。

四、影响吸附的因素:

(1)吸附剂的物理化学性质、吸附剂的种类不同,吸附效果也不一样。一般是极性分子(或离子)型的吸附剂容易吸附极性分子(或离子)型的吸附质,非极性分子型的吸附剂容易吸附非极性分子的吸附质。由于吸附作用是发生在吸附剂的内外表面上,所以吸附剂的比表面积越大,吸附能力就越强。另外,吸附剂的颗粒大小、孔隙构造和分布情况,以及表面化学特性等,对吸附也有很大的影响。

(2)吸附质的物理化学性质、吸附质在废水中的溶解度对吸附有较大的影响。一般说来,吸附质的溶解度越低,越容易被吸附。吸附质的浓度增加,吸附量也随之增加;但浓度增加到一定程度后,吸附量增加很慢。如果吸附质是有机物,其分子尺寸越小,吸附反应就进行得越快。

(3)废水的pH值、pH值对吸附质在废水中的存在形态(分子、离子、络合物等)和溶解度均有影响,因而对吸附效果也就相应地有影响。废水pH值对吸附的影响还与吸附剂性质有关。例如,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。

(4)温度、吸附反应通常是放热的,因此温度越低对吸附越有利。但在废水处理中,一般温度变化不大,因而温度对吸附过程影响很小,实践中通常在常温下进行吸附操作。

(5)共存物的影响、共存物质对主要吸附质的影响比较复杂。有的能相互诱发吸附,有的能相当独立地被吸附,有的则对相互起干扰作用。但许多资料指出,某种溶质都以某种方式与其它溶质争相吸附。因此,当多种吸附质共存时,吸附剂对某一种吸附质的吸附能力要比只含这种吸附质时的吸附能力低。悬浮物会阻塞吸附剂的孔隙,油类物质会浓集中吸附剂的表面形成油膜,它们均对吸附有很大影响。因此在吸附操作之前,必须将它们除去。

(6)接触时间、吸附质与吸附剂要有足够的接触时间,才能达到吸附平衡。吸附平衡所需时间取决于吸附速度,吸附速度越快,达到平衡所需时间越短。

五、吸附操作方式

    吸附操作方式分为静态间歇式和动态连续式两种。前者多用于实验研究或小规模的废水处理中,而生产运行一般采用动态连续方式。本书着重讨论后者。

    废水在流动条件下进行的操作,叫做动态连续吸附,或简称为动态吸附。动态吸附又有固定床、移动床和流化床等三种方式。

    (1)固定床动态吸附:这是废水处理工艺中最常用的一种方式。由于吸附剂固定填充在吸附柱(或塔)中,所以叫固定床。当废水连续流过吸附剂层时,吸附质便不断地被吸附。若吸附剂数量足够,出水中吸附质的浓度即可降低至接近于零。但随着运行时间的延长,出水中吸附质的浓度会逐渐增加。当达到某一规定的数值时,就必须停止通水,进行吸附剂再生。

    根据水流方式的不同,固定床吸附又分为降流式和升流式两种。降流式固定床的水流由上而下穿过吸附剂层,过滤速度在4-20m/h之间。吸附剂层总厚3-5m,可分成几柱串联工作。接触时间一般不大于30-60min。降流式用于处理含悬浮物很少的废水,能获得很好的出水水质。当悬浮物含量高时,容易引起吸附剂层堵塞,降低吸附量,同时增大水头损失。另外,降流式固定床的滤层容易滋长细菌,恶化水质。升流式固定床的水流由下而上穿过吸附剂层,其压头损失小,允许废水含的悬浮物稍高,对预处理要求较低,但滤速较小。升流式可避免炭床内因积有气泡而产生短路,也便于发挥生物协同作用;缺点是冲洗效果较降流式差,操作失误时易将吸附剂流失。

    (2)移动床吸附:废水从吸附柱底部进入,处理后的水由柱顶排出。在操作过程中,定期将一部分接近饱和的吸附剂从柱底排出,送到再生柱进行再生。与此同时,将等量的新鲜吸附剂由柱顶加入,因而这种吸附床称之为移动床。这种运行方式较固定床吸附能更充分地利用吸附剂的吸附能力,水头损失小,但柱内上下层吸附剂不能相混,所以对操作管理要求较为严格。

    (3)流化床吸附:吸附剂在塔内处于膨胀状态,悬浮于由下而上的水流中。所以这种运行方式也称为膨胀床吸附。膨胀床的吸附率高,适于处理悬浮物含量较高的废水。

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