17 吸附离子交换.ppt
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1、水污染控制工程水污染控制工程 Water Pollution Control Engineering唐玉朝唐玉朝唐玉朝唐玉朝 安徽建筑工业学院环境工程系安徽建筑工业学院环境工程系安徽建筑工业学院环境工程系安徽建筑工业学院环境工程系E-mail:E-mail:Department of Environmental Department of Environmental Engineering,AnhuiAnhui University of University of ArchitectureCopyrightReserved!课程内容n第五节第五节吸附吸附吸附原理吸附原理,吸附等温式吸附等温式
2、,吸附剂吸附剂,吸附工艺吸附工艺n第六节第六节离子交换离子交换离子交换原理离子交换原理,交换树脂交换树脂,交换平衡与计算交换平衡与计算吸附法吸附法 Water Pollution Control Engineering吸附吸附n吸附概述吸附概述n吸附等温式吸附等温式n吸附剂吸附剂n吸附速率吸附速率n吸附工艺吸附工艺n吸附设计简介吸附设计简介吸附吸附n1.1吸附原理吸附原理:固体表面的分子或原子因为受力不均匀:固体表面的分子或原子因为受力不均匀具有剩余的表面能,该力能够吸引其他物质在固体的表具有剩余的表面能,该力能够吸引其他物质在固体的表面上。固体称吸附剂,被吸附的称吸附质,吸附的结果面上。固体
3、称吸附剂,被吸附的称吸附质,吸附的结果是吸附质在吸附剂表面浓缩,而吸附剂的表面能降低。是吸附质在吸附剂表面浓缩,而吸附剂的表面能降低。Water Pollution Control Engineering1.1.吸附概述吸附概述吸附吸附 在水污染控制工程中吸附指利用多孔性的固体物在水污染控制工程中吸附指利用多孔性的固体物质吸附水中污染物质到固体物质表面从而将污染物去质吸附水中污染物质到固体物质表面从而将污染物去除的方法。对废水中无机、有机污染物、重金属都有除的方法。对废水中无机、有机污染物、重金属都有效,适宜处理低浓度废水效,适宜处理低浓度废水(深度处理深度处理)。Water Pollutio
4、n Control Engineering吸附吸附n1.2吸附类型:吸附类型:物理吸附,物理吸附,是分子间力范德华力,吸附热小,可以单是分子间力范德华力,吸附热小,可以单层也可多层吸附,吸附无选择性,容易解吸,是可逆层也可多层吸附,吸附无选择性,容易解吸,是可逆吸附,低温下物理吸附大,吸附量与表面积成比例。吸附,低温下物理吸附大,吸附量与表面积成比例。化学吸附化学吸附是形成化学键的吸附,吸附热大,具有选择性,是形成化学键的吸附,吸附热大,具有选择性,单分子层吸附,化学键、离子交换或形成配位体。物单分子层吸附,化学键、离子交换或形成配位体。物理化学吸附常常同时发生。理化学吸附常常同时发生。Wat
5、er Pollution Control Engineering吸附吸附n吸吸附附气气体体时时则则物物理理吸吸附附热热与与气气体体液液化化热热相相当当,而而化化学学吸附与化学反应相当。吸附与化学反应相当。Water Pollution Control Engineering作用力作用力吸附热吸附热是否可是否可逆逆选择选择性性吸附层数吸附层数物理吸附物理吸附范德华力范德华力小小,气体液化热气体液化热可逆可逆无无单、多分子层单、多分子层化学吸附化学吸附化学键化学键大大,化学反应热化学反应热不可逆不可逆有有单分子层单分子层物理吸附与化学吸附的比较物理吸附与化学吸附的比较返回返回吸附等温式吸附等温式
6、吸附等温式是描述吸附量与平衡时液相中吸附质浓度吸附等温式是描述吸附量与平衡时液相中吸附质浓度的关系的数学式。吸附等温式描述的是物理吸附。的关系的数学式。吸附等温式描述的是物理吸附。Langmuir吸附等温式吸附等温式Freundlich吸附等温式吸附等温式BET吸附等温式吸附等温式(Henry等温式等温式)Water Pollution Control Engineering2.吸附等温式吸附等温式(等温线等温线)n Langmuir吸附等温式:吸附等温式:Langmuir第第一一个个对对吸吸附附现现象象进进行行系系统统研研究究,提提出出“单单分分子子层层吸吸附附理理论论”。假假设设固固体体表
7、表面面各各处处的的吸吸附附力力场场均均匀匀相相同同,表表面面吸吸附附单单分分子子层层就就饱饱和和,且且被被吸吸附附分分子子无无相互作用,物理吸附。相互作用,物理吸附。吸附速率:吸附速率:VakaC(1).(1)脱附速率:脱附速率:Vdkd.(2)表示被吸附的分子占据固体表面的覆盖度。表示被吸附的分子占据固体表面的覆盖度。C为吸附质为吸附质浓度,浓度,ka、kd为吸附和脱附速率常数。为吸附和脱附速率常数。Water Pollution Control Engineering吸附等温式吸附等温式吸附等温式吸附等温式n平衡时:平衡时:kaC(1)kdkd+kaCkaC,k1=ka/kd若以若以q、q
8、m分别表示吸附量和饱和吸附量,则分别表示吸附量和饱和吸附量,则q/qmWater Pollution Control Engineering吸附等温式吸附等温式nq/qm=即为即为Langmuir吸附等温式,在液相中吸附等温式,在液相中C实际是吸附质的浓度实际是吸附质的浓度。Water Pollution Control Engineering吸附等温式吸附等温式nLangmuir吸附等温吸附等温式吸附质在液相浓度式吸附质在液相浓度C与吸附量与吸附量q的关系的关系q=qmk1C1,q=qmk1C1k1C1吸附等温式吸附等温式nLangmuir吸附等温吸附等温式式1/C对对1/q的关系的关系=W
9、ater Pollution Control Engineering1/1/q q0 01/C1/qm1/qmk1吸附等温式吸附等温式nFreundlich吸附等温式吸附等温式(经验式经验式):qKC1/nlgq=lgK+lgCK,n为常数,在低浓度下较适用。为常数,在低浓度下较适用。K大小反映吸附性能,越大吸附量越大,大小反映吸附性能,越大吸附量越大,n小吸小吸附困难,而附困难,而n大,吸附容易。大,吸附容易。Water Pollution Control Engineering吸附等温式吸附等温式nFreundlich吸附等温式吸附等温式lgC与与lgq的关系的关系lgq=lgK+lgCK
10、大小反映吸附性能,越大吸大小反映吸附性能,越大吸附量越大附量越大;n小吸附困难,而小吸附困难,而n大,吸附容易大,吸附容易.注意:注意:1/n反映了增量,增量大未必容反映了增量,增量大未必容易吸附,故易吸附,故n1n=1n1K吸附等温式吸附等温式n BET吸附等温式:吸附等温式:可以解释实验观察到的可以解释实验观察到的5种物理吸附等温线,假设固体表种物理吸附等温线,假设固体表面是均匀的,可以为多分子层吸附,每一单层符合面是均匀的,可以为多分子层吸附,每一单层符合Langmuir吸附,第二层以后的吸附是分子间的引力。吸附,第二层以后的吸附是分子间的引力。Water Pollution Contr
11、ol Engineering如果如果CsC,则:则:近似简化为近似简化为Langmuir吸附等温式吸附等温式返回返回吸附剂吸附剂n 固体物质都有吸附能力,只有具有巨大比表面积或很细固体物质都有吸附能力,只有具有巨大比表面积或很细的颗粒可以作为吸附剂使用。的颗粒可以作为吸附剂使用。水污染控制要求吸附剂吸附能力强水污染控制要求吸附剂吸附能力强,吸附选择性好吸附选择性好,平衡平衡液相浓度低液相浓度低,容易再生利用容易再生利用,机械强度高机械强度高,化学稳定性高化学稳定性高,来源广价格低等。来源广价格低等。废水处理用的吸附剂:活性炭废水处理用的吸附剂:活性炭,吸附树脂吸附树脂,腐殖酸类腐殖酸类,粘粘土
12、矿物土矿物,硅藻土硅藻土,活性氧化铝等。活性氧化铝等。Water Pollution Control Engineering3.吸附剂吸附剂吸附剂吸附剂(1).活性炭:活性炭:是以含炭物质为原料经过热脱水是以含炭物质为原料经过热脱水(120-130),高温炭高温炭化化(200-600)和活化和活化(700-900)制备的疏水性吸附剂,制备的疏水性吸附剂,形状为粉末形状为粉末(几十微米几十微米),颗粒颗粒(圆柱形圆柱形,无定型无定型,大小数毫米大小数毫米),纤维状活性炭纤维状活性炭,粉末炭再生困难一般不重复利用粉末炭再生困难一般不重复利用,而颗粒而颗粒炭造价高炭造价高,但可以再生利用但可以再生利
13、用.活化过程可以用药剂活化活化过程可以用药剂活化(化化学学)或气体活化或气体活化(物理物理).性质:性质:比表面大比表面大(2000m2/g),微孔发达微孔发达,2nm微孔微孔,占活性占活性炭比表面积的炭比表面积的95,过渡孔过渡孔2-100nm,比表面积比表面积5%,100nm大孔大孔.具有好的吸附性能及化学性质稳定具有好的吸附性能及化学性质稳定,耐酸碱耐酸碱.Water Pollution Control Engineering吸附剂吸附剂n活性炭再生:活性炭再生:1.加热再生加热再生:原理是挥发原理是挥发(容易脱附容易脱附,低沸点分子低沸点分子量小的化合物量小的化合物,100-200),
14、热分解热分解(分解为小分子分解为小分子),炭化炭化(难难脱附的有机物脱附的有机物).n高温热再生分干燥高温热再生分干燥,炭化炭化,活化过程活化过程.需要少量的氧气以氧化需要少量的氧气以氧化有机物但不使活性炭燃烧损失有机物但不使活性炭燃烧损失.恢复恢复95%,烧损烧损5,方法简单方法简单,效果好效果好,适应性广且无废液产生适应性广且无废液产生,但能耗大但能耗大.Water Pollution Control Engineering吸附剂吸附剂Water Pollution Control Engineering泥浆泵泥浆泵失效炭失效炭脱水罐脱水罐螺旋传送器螺旋传送器废气处理废气处理装置装置再生炉
15、再生炉水蒸汽水蒸汽冷却罐冷却罐再生炭储罐再生炭储罐炭末炭末排排水水再生炭再生炭高温加热再生系统高温加热再生系统活性炭活性炭浆池浆池吸附剂吸附剂n2.药剂再生药剂再生:通过化学反应使吸附质转化为可脱附易溶解通过化学反应使吸附质转化为可脱附易溶解的物质而解吸的物质而解吸.需要选择合适的化学物质需要选择合适的化学物质,如常用有机溶如常用有机溶剂脱附剂脱附,化学再生损失小,而且可以在吸附塔内进行化学再生损失小,而且可以在吸附塔内进行,物物质容易回收利用质容易回收利用,但再生效率低但再生效率低,再生不完全再生不完全.3.氧化再生氧化再生:湿式氧化湿式氧化,电氧化电氧化,生物氧化生物氧化,O3氧化等氧化等
16、.Water Pollution Control Engineering吸附剂吸附剂(2).吸附树脂吸附树脂:n具有立体网状结构具有立体网状结构,结构可根据需要控制结构可根据需要控制,故适应故适应广广,选择性高选择性高,再生容易再生容易.类似吸附和离子交换之间的技类似吸附和离子交换之间的技术术,具有活性炭吸附能力强的优点具有活性炭吸附能力强的优点,比离子交换树脂容比离子交换树脂容易再生易再生,多用来处理水中微量极性物质多用来处理水中微量极性物质.如如TNT废水毒废水毒性大性大,活性炭处理后再生困难活性炭处理后再生困难(难脱附难脱附,热再生易爆炸热再生易爆炸),而吸附树脂可以高效处理且回收而吸附
17、树脂可以高效处理且回收.Water Pollution Control Engineering(3).活性氧化铝活性氧化铝,沸石沸石,硅胶硅胶n具有多孔结构的以具有多孔结构的以Al2O3,SiO2成分为主的吸附剂。成分为主的吸附剂。n活性氧化铝活性氧化铝:铝水合物加热处理,包括铝水合物加热处理,包括(水合水合)Al2O3,氢氧氢氧化铝晶体等。化铝晶体等。n沸石沸石:铝硅酸盐晶体,含:铝硅酸盐晶体,含Al2O3,SiO2成分。成分。n硅胶硅胶:硅酸聚合物,:硅酸聚合物,SiO2 H2O吸附剂吸附剂Water Pollution Control Engineering吸附剂吸附剂n(4).其他其他
18、(腐殖酸腐殖酸,粘土矿物粘土矿物,粉煤灰等粉煤灰等)腐殖酸腐殖酸:天然含腐殖酸的泥煤天然含腐殖酸的泥煤,褐煤等直接使用或简单处褐煤等直接使用或简单处理理.富含活性基团富含活性基团,离子交换离子交换,螯合螯合,凝聚凝聚,物理吸附物理吸附,化化学吸附等作用学吸附等作用,故适宜处理重金属废水故适宜处理重金属废水.天然粘土矿物天然粘土矿物:种类多种类多,来源广来源广,价格低价格低,使用方便使用方便,与腐殖与腐殖酸一样也具有多重作用酸一样也具有多重作用(吸附吸附,凝聚凝聚,离子交换离子交换).Water Pollution Control Engineering返回返回吸附速率吸附速率 单单位位质质量量
19、的的吸吸附附剂剂一一定定时时间间内内吸吸附附吸吸附附质质的的量量,多多孔孔吸吸附附剂剂吸吸附附的的过过程程:吸吸附附质质扩扩散散通通过过水水膜膜到到达达吸吸附附剂剂的的表表面面,(膜膜扩扩散散);吸吸附附质质在在吸吸附附剂剂的的孔孔隙隙内继续扩散达到吸附点,内继续扩散达到吸附点,(内扩散内扩散);吸附反应。吸附反应。Water Pollution Control Engineering4.吸附速率吸附速率吸附速率吸附速率nFick定律,水膜内的溶质传质速度定律,水膜内的溶质传质速度V:V=D=D(C-Ci)/k(C-Ci)D扩散系数扩散系数m2/h,k为水膜的传质系数为水膜的传质系数m/h,(
20、C-Ci)水膜内外水膜内外的浓度差的浓度差kg/m3,为水膜厚度为水膜厚度m。Water Pollution Control Engineering吸附速率吸附速率n吸附速度:吸附速度:VS=k(C-Ci)SS为吸附为吸附剂的比表面积,剂的比表面积,m2/kg。Water Pollution Control Engineering吸附速率吸附速率 影响吸附的因素:影响吸附的因素:吸附剂性质,吸附剂性质,BET和孔结构:和孔结构:n吸附剂的表面化学性质:表面酸性碱性吸附剂的表面化学性质:表面酸性碱性,低温活化容易生低温活化容易生成表面酸性活性中心成表面酸性活性中心,而高温易于形成碱性活化中心。而
21、高温易于形成碱性活化中心。n吸附剂孔径大,对吸附质的内扩散是有利的,但比表面吸附剂孔径大,对吸附质的内扩散是有利的,但比表面积小,孔径小,不利内扩散,而且大分子物质直径可能积小,孔径小,不利内扩散,而且大分子物质直径可能大于孔径。对活性炭来说,由于比表面积由微孔决定,大于孔径。对活性炭来说,由于比表面积由微孔决定,所以对大分子物质需要预处理。所以对大分子物质需要预处理。Water Pollution Control Engineering吸附速率吸附速率n吸附剂孔径大吸附剂孔径大小与吸附的关小与吸附的关系示意图系示意图Water Pollution Control Engineering溶质分
22、子溶质分子水分子水分子吸附速率吸附速率吸附质吸附质(污染物污染物)性质性质n溶溶解解度度,溶溶解解度度低低容容易易被被吸吸附附;活活性性炭炭是是非非极极性性吸吸附附剂剂,非非极极性性溶溶质质容容易易吸吸附附,而而活活性性氧氧化化铝铝极极性性吸吸附附剂剂,容易吸附极性溶质。容易吸附极性溶质。n吸吸附附质质的的分分子子大大小小,活活性性炭炭容容易易吸吸附附分分子子量量大大的的溶溶质质,而而沸沸石石容容易易吸吸附附分分子子量量小小,饱饱和和与与不不饱饱和和溶溶质质液液影影响响吸附过程。吸附过程。Water Pollution Control Engineering吸附速率吸附速率Water Poll
23、ution Control Engineering非极性非极性极性极性饱和饱和不饱和不饱和大大分分子子小小分分子子炭素炭素氧化氧化铝铝活性活性炭炭硅胶硅胶分子分子筛筛沸石沸石n各各吸吸附附剂剂的的适适用条件比较用条件比较吸附速率吸附速率n废水性质废水性质:pH和温度和温度,pH影响吸附剂的表面化学性质影响吸附剂的表面化学性质,对吸附质主要影响其结构与溶解度等。温度对液相吸附对吸附质主要影响其结构与溶解度等。温度对液相吸附影响较小影响较小,吸附放热吸附放热,所以温度高对吸附不利所以温度高对吸附不利,根据废水性根据废水性质选择吸附剂。质选择吸附剂。n反应条件反应条件:接触时间接触时间.吸附过程要搅
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