水污染6章.ppt

第五章污水的物理化学处理
利用物理化学的原理和化工单元操作可以去除污水中的杂质,它的处理对象主要是污水中无机的或有机的溶解物质或胶体物质,尤其适用于处理杂质浓度很高的污水或是很低浓度的废水。
第一节吸附法
一、基本原理
1、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。
→物理吸附: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。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。此外,物理吸附的吸附速度和解吸速度都较大,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。
→化学吸附:吸附剂和吸附质之间产生了化学作用,生成化学键。由于生成化学键,所以化学吸附是有选择性的,且不易吸附和解吸,达到平衡慢。化学吸附速度随温度的升高而增加,故化学吸附常在较高的温度下进行。
→离子交换吸附: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,由此产生的吸附叫离子交换吸附。由于这种吸附兼有吸收现象,又称为吸着。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。
\固体吸附剂吸附能力的大小可用吸附量来衡量。吸附量qe的测定方法为:在一定体积V(L)和一定浓度C0(mg/L)的废水中,投加一定量的吸附剂m(mg),经搅拌混合,直到废水浓度Ce(mg/L)不再改变,即吸附达到平衡为止。则吸附量为:

x:吸附剂吸附的溶质总量,mg。
2、等温吸附规律——平衡吸附模型
在温度固定的情况下,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。
A:Freundlich等温吸附式
Frenudich通过实验得出平衡吸附量qe与平衡浓度Ce关系曲线的经验方程:
式中n,Kf表示在一定浓度范围内表达吸附过程的经验常数。将上式改为对数式:以lgqe和lgCe为坐标,即可绘制出直线形式的吸附等温线。1/n称为吸附指数,一般认为1/~,则容易吸附,而1/n大于2则难以吸附。※Freundlich 方程式只实用于中等浓度的溶液。
B:Langmuir吸附等温式:
Langmuir认为固体表面由大量的吸附活性中心点构成,吸附只在这些活性中心点发生,活性中心点的吸附作用范围大致为分子大小,每个活性中心只能吸附一个分子,当表面吸附活性中心全部被占满时,吸附量达到饱和值,在吸附剂表面上分布被吸附物质的单分子层。根据上述假设和动力学原理,推导出相应的吸附等温式:
qe—达到任一平衡状态时的吸附量;
qe0—达到饱和时的极限吸附量,
a —与吸附能有关的常数;
Ce—溶液的平衡浓度。
Langmuir吸附等温式是一条双曲线,当溶液浓度很大时,即Ce>>a时,上式可写为:qe=qe0;当溶液浓度很小时,即Ce<<a时,则qe=qe0Ce/a
Langmuir吸附等温式适用于各种浓度条件。
C:BET吸附等温式▲该理论认为,固体表面均匀分布着大量吸附活性中心点,可以吸附溶质分子,并且被吸附的第一层分子本身又可以成为吸附中心,再吸附第二层分子,第二层分子又可吸附第三层,……从而形成多分子层吸附。
3、吸附速度—吸附动力学
#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。
→吸附速度决定了吸附剂对吸附质的吸附过程。吸附剂对溶液中吸附质吸附过程基本上可分为三个连续阶段:
№1:颗粒外部扩散阶段(又称为膜扩散),吸附质从溶液中扩散到吸附剂表面;
№2:孔隙扩散阶段,吸附质在吸附剂孔隙中继续向吸附点扩散;
№3;吸附反应阶段,吸附质被吸附剂吸附在孔隙内的表面上。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:颗粒外部膜扩散速度与溶液浓度成正比。对一定表面积的吸附剂,膜扩散速度还与吸附剂的表面积的大小成正比。
→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。一般而言,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。因此要根据使用的工艺条件来选择最