当代给水与废水处理原理

当代给水与废水处理原理安徽理工大学地球与环境学院宋晓梅教授§3-1活性炭的性能活性炭的来源活性炭几乎可以用含有碳的任何物质做原料来制造，这包括木材、锯末、煤、泥炭、果壳、果核、蔗渣、骨、石油焦、皮革废物、纸厂废物等等。第三章活性炭吸附碳化的定义碳化也称热解，是在隔绝空气的条件下对原材料加热，一般温度在600℃以下。有时原材料先经无机盐溶解处理后再碳化。活化的定义活化是在有氧化剂的作用下，对碳化后的材料加热，以生产活性炭产品。当氧化过程的温度在800-900℃时，一般用蒸汽或二氧化碳为氧化剂；当氧化温度在600℃以下时，一般用空气做氧化剂。活性炭的制作活性炭的制作分碳化及活化两步。第三章活性炭吸附①使原材料分解放出水气、一氧化碳、二氧化碳及氢等气体；②使原材料分解成碎片，并重新结合成稳定的结构。碳化的作用在活化过程中，烧掉了碳化时吸附的碳氢化合物，把原有空隙边上的碳氢原子烧掉，起了扩大孔隙的作用，并把孔隙与孔隙之间烧穿。活化使活性炭变成一种良好的多孔结构。活化的作用第三章活性炭吸附活性炭的影响因素◆与活性炭吸附能力最直接的因素是表面的氧化物复体的性能。最简单的复体可以认为是一氧化碳和二氧化碳的复体。◆活性炭表面氧化物的成分主要受活化过程的影响。◆酸性氧化物使活性炭具有极性的性质，因之倾向于吸附极性较强的化合物。◆活性炭表面的金属离子部位带有正电荷，对那些带有过剩电子部位的分子有吸附力，可以增加活性炭吸附的速率。第三章活性炭吸附活性炭的吸附作用对芳族化合物的吸附非极性的链烷化合物在活性炭表面的吸附。有关极性分子氨基酸及蛋白质的吸附资料极少活性炭对于吸附无机物也有一定的潜力活性炭的吸附性能是由于它的表面基团类型、比表面积和孔径的分布决定的。第三章活性炭吸附§3-2吸附等温线吸附等温线的类型第一种类型的等温线，没有极限值，但却有一极限值，这种类型的吸附试验资料可用Langmuir公式处理。exm0()xm第二类型的等温线，有一个极限值，称为饱和浓度，但x/m却没有极限值。这种类型的等温线可用Branauer和Emmett及Teller（简称BET）公式处理。se第三类型的等温线，和都没有极限值，可用Freundlich公式处理。exm第三章活性炭吸附常见的吸附等温线有三种类型，每种类型对应于一种吸附公式，如下图所示。第三章活性炭吸附处理吸附等温线的公式★Langmuir公式为：0()1eebxmxmb★BET公式为：★Freundlich公式为：1nfexKmseeseBmxBmx)1(1)()/(0第三章活性炭吸附§3-3Langmuir公式的推导推导的假定只考虑在单层内的平衡关系被吸附的物质只有一层分子厚被吸附物质的颗粒和水分子一样大每个被吸附颗粒占面积0第三章活性炭吸附Langmuir公式推导的图示第三章活性炭吸附Langmuir公式推导：在达到平衡时，存在下列关系:未被吸附的物质颗粒数目+被吸附的水分子数目==被吸附物质颗粒的数目+未被吸附的水分子数目得到Langmuir公式为：0()1eebxmxmb第三章活性炭吸附§3-4吸附公式的应用求吸附公式Langmuir中的常数每个吸附公式都包含了两个常数，这些常数可以通过数学方法处理试验数据得出，最常用的是图解法。用某一种活性炭做吸附试验所得的数据往往只符合一个吸附公式，这可在图解法中很清楚地看出来。图1中小于1，图2中大于1。cc第三章活性炭吸附BET公式的图解法如下：求Freundlich公式的常数：第三章活性炭吸附§3-5吸附柱的设计活性炭吸附柱设计的类型•重力固定床•压力固定床•流化床第三章活性炭吸附ka代表单位体积活性炭在单位时间内所吸收的杂质量。活性炭的容量传质系数可以通过实验得出。当这个系数已知后，就能够确定吸附柱所需要的活性炭总体积。但这需要知道吸附柱的吸附容量、吸附柱的吸附过程曲线与容积传质系数三者间的关系。容量传质系数为了更方便的研究，我们将单位容积活性炭所具有的吸附面积a与反应速率k相乘，得到一个组合参数ka，称为容量传质系数，其纲量为:第三章活性炭吸附求活性炭的容量传质系数活性炭的容量传质系数ka，一般通过用初始有机物浓度ρ1的水样，每升加活性炭mg做吸附试验，由吸附试验可以得出下列物料衡算关系：在时刻t水样中有机物的减少速率=在时刻t活性炭吸附有机物的增加速率，即eCdmkadt对上式积分得:由此式可以绘成如右图所示的直线，由直线的斜率可求出ka值来。tmkacee303.2lg1第三章活性炭吸附吸附柱的泄漏和衰耗过程如果将出水的有机物浓度与吸附柱的产水量与相应的运行时间的关系绘成曲线，则得下图的吸附过程曲线。图中表示了出水有机物浓度从零开始逐渐增加的过程。★允许的最高出水浓度则称为吸附柱的泄漏浓度。★相应的运行时间称为吸附周期。★出水浓度达到时称为耗竭，这时吸附柱所吸附有机物质了代表了吸附柱所具有的总吸附能力。x第三章活性炭吸附吸附柱的设计建立吸附柱过程曲线与容量传质系数的关系主要是找出这一曲线的S形末端与容量传质系数间的关系。这一关系可以通过分析从吸附带厚度δ到达柱底（此时吸附柱到达吸附周期）起到它的吸附能力完全耗竭止（即到达耗竭时间）的吸附能力消失过程。吸附能力的消失也就是吸附带的消失,即x/m值AC线从tb起不断向下运动，最后在运行时间tx到达吸附柱底，曲线C点与B点重合，吸附带消失。第三章活性炭吸附上图表示吸附带刚达到吸附柱底时（相当于运行恰好达吸附周期），其中活性炭吸附量沿吸附带高度的分布曲线，由底部值逐渐增大为顶部的，与运行时间的出水浓度相对应。图中的面积ABC，代表了吸附带在时所剩余的吸附容量。为了便于处理关系，在建立ka与泄露曲线的关系时，流量Q/A按换算成Fmkg/m2.min表示。从流量Fm中所去除的有机物=每分钟在活性炭容积中所吸附的有机物量假定：公式为一条通过原点的直线方程，又令ρ=ρ1，该直线通过吸附等温线的（x/m）ρ1点，因此可以求出ρs来，这一条直线称作操作线。bt第三章活性炭吸附从图中可以看出，对同一吸附值x/m，可以从等温线及操作线得出平衡浓度ρe及ρ1,即在x/m时，存在浓度差（ρ-ρe）,即吸附的推动力，由经推导得：可以计算吸附带高度，吸附的有效容积及饱和百分数。dyKadFem)(bemdKaFy`xbemdKaF)()1(101ydf