吸附作用的基本原理

一、固體表面上的吸附作用：

在固體和氣體或固體和液體組成的兩相體系中，在相界面上出現(xiàn)的氣相組分或溶質(zhì)組分濃度升高（常稱為濃縮）的現(xiàn)象，稱為固體吸附。這種對溶質(zhì)有吸附能力的固體稱為吸附劑，而被固體吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。

根據(jù)固體表面吸附力的不同，吸附可分為物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換吸附三種類型。若吸附劑和吸附質(zhì)之間是通過分子間的引力（即范德華力）而產(chǎn)生的吸附，稱為物理吸附。由于分子引力普遍存在于各種吸附劑與吸附質(zhì)之間，故物理吸附無選擇性。另外，物理吸附的吸附速度和解吸速度都較快，易達(dá)到平衡狀態(tài)。一般在低溫下進(jìn)行的吸附主要是物理吸附。

若吸附劑與吸附質(zhì)之間產(chǎn)生了化學(xué)作用，生成化學(xué)鍵引起的吸附，稱為化學(xué)吸附。由于生成化學(xué)鍵，所以化學(xué)吸附是有選擇性的，且不易吸附與解吸，達(dá)到平衡慢?；瘜W(xué)吸附放出的熱很大，與化學(xué)反應(yīng)相近?；瘜W(xué)吸附速度隨溫度升高而增加，故化學(xué)吸附常在較高溫度下進(jìn)行。

一種吸附質(zhì)的離子，由于靜電引力，被吸附在吸附劑表面的帶電點(diǎn)上，由此產(chǎn)生的吸附稱為離子交換吸附。由于這種吸附兼有吸收現(xiàn)象，故又可總稱為吸著。在這種吸附過程中，伴隨著等當(dāng)量的離子交換。如果吸附質(zhì)的濃度相同，離子帶的電荷越多，吸附就越強(qiáng)。對電荷相同的離子，水化半徑越小，越能緊密地接近于吸附點(diǎn)，越有利于吸附。

二、等溫吸附規(guī)律——平衡吸附模型：

在溫度固定的條件下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系，稱為等溫吸附規(guī)律。表達(dá)這一關(guān)系的數(shù)學(xué)式稱為吸附等溫式。根據(jù)這種關(guān)系繪制出的曲線圖，稱為吸附等溫線。人們已經(jīng)提出了好幾種等溫吸附理論模式來描述吸附規(guī)律，其中主要有以下三種。

（一）弗蘭德利希吸附等溫式

（二）朗格繆爾吸附等溫式

（三）BET吸附等溫式

三、吸附速度——吸附動力學(xué)：

所謂吸附速度是指單位重量吸附劑在單位時間內(nèi)所吸附的物質(zhì)量。在廢水處理中，吸附速度決定了廢水和吸附劑的接觸時間。吸附速度越快，所需的接觸時間就越短，吸附設(shè)備容積也可以越小。

吸附速度決定于吸附劑對吸附質(zhì)的吸附過程。多孔吸附劑對溶液中的吸附質(zhì)吸附過程基本上可分為三個連續(xù)階段：第一個階段稱為顆粒外部擴(kuò)散（又稱為膜擴(kuò)散）階段，吸附質(zhì)從溶液中擴(kuò)散到吸附劑表面；第二階段稱為孔隙擴(kuò)散階段，吸附質(zhì)在吸附劑孔隙中繼續(xù)向吸附點(diǎn)擴(kuò)散；第三階段稱為吸附反應(yīng)階段，吸附質(zhì)被吸附在吸附劑孔隙內(nèi)的表面上。一般而言，吸附速度主要由膜擴(kuò)散或孔隙擴(kuò)散速度來控制。

根據(jù)實驗得知，顆粒外部膜擴(kuò)散速度與溶液濃度成正比。對一定重量的吸附劑，膜擴(kuò)散速度還與吸附劑的表面積（即膜表面積）的大小成正比。因為表面積與顆粒直線成反比，所以顆粒直徑越小，膜擴(kuò)散速度就越大。另外，增加溶液和顆粒之間的相對運(yùn)動速度，會使液膜變薄，可以提高膜擴(kuò)散速度。

孔隙擴(kuò)散速度與吸附劑孔隙的大小及結(jié)構(gòu)、吸附質(zhì)顆粒大小及結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。一般來說，吸附劑顆粒越小，孔隙擴(kuò)散速度越快，即擴(kuò)散速度與顆粒直徑的較高次方成反比。因此，采用粉狀吸附劑比粒狀吸附劑有利。其次，吸附劑內(nèi)孔徑大可使孔隙擴(kuò)散速度加快，但會降低吸附量。對這種情況，就要根據(jù)使用的工藝條件來選擇最適宜的吸附劑。

四、影響吸附的因素：

（1）吸附劑的物理化學(xué)性質(zhì)、吸附劑的種類不同，吸附效果也不一樣。一般是極性分子（或離子）型的吸附劑容易吸附極性分子（或離子）型的吸附質(zhì)，非極性分子型的吸附劑容易吸附非極性分子的吸附質(zhì)。由于吸附作用是發(fā)生在吸附劑的內(nèi)外表面上，所以吸附劑的比表面積越大，吸附能力就越強(qiáng)。另外，吸附劑的顆粒大小、孔隙構(gòu)造和分布情況，以及表面化學(xué)特性等，對吸附也有很大的影響。

（2）吸附質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)、吸附質(zhì)在廢水中的溶解度對吸附有較大的影響。一般說來，吸附質(zhì)的溶解度越低，越容易被吸附。吸附質(zhì)的濃度增加，吸附量也隨之增加；但濃度增加到一定程度后，吸附量增加很慢。如果吸附質(zhì)是有機(jī)物，其分子尺寸越小，吸附反應(yīng)就進(jìn)行得越快。

（3）廢水的pH值、pH值對吸附質(zhì)在廢水中的存在形態(tài)（分子、離子、絡(luò)合物等）和溶解度均有影響，因而對吸附效果也就相應(yīng)地有影響。廢水pH值對吸附的影響還與吸附劑性質(zhì)有關(guān)。例如，活性炭一般在酸性溶液中比在堿性溶液中有較高的吸附率。

（4）溫度、吸附反應(yīng)通常是放熱的，因此溫度越低對吸附越有利。但在廢水處理中，一般溫度變化不大，因而溫度對吸附過程影響很小，實踐中通常在常溫下進(jìn)行吸附操作。

（5）共存物的影響、共存物質(zhì)對主要吸附質(zhì)的影響比較復(fù)雜。有的能相互誘發(fā)吸附，有的能相當(dāng)獨(dú)立地被吸附，有的則對相互起干擾作用。但許多資料指出，某種溶質(zhì)都以某種方式與其它溶質(zhì)爭相吸附。因此，當(dāng)多種吸附質(zhì)共存時，吸附劑對某一種吸附質(zhì)的吸附能力要比只含這種吸附質(zhì)時的吸附能力低。懸浮物會阻塞吸附劑的孔隙，油類物質(zhì)會濃集中吸附劑的表面形成油膜，它們均對吸附有很大影響。因此在吸附操作之前，必須將它們除去。

（6）接觸時間、吸附質(zhì)與吸附劑要有足夠的接觸時間，才能達(dá)到吸附平衡。吸附平衡所需時間取決于吸附速度，吸附速度越快，達(dá)到平衡所需時間越短。

五、吸附操作方式

    吸附操作方式分為靜態(tài)間歇式和動態(tài)連續(xù)式兩種。前者多用于實驗研究或小規(guī)模的廢水處理中，而生產(chǎn)運(yùn)行一般采用動態(tài)連續(xù)方式。本書著重討論后者。

    廢水在流動條件下進(jìn)行的操作，叫做動態(tài)連續(xù)吸附，或簡稱為動態(tài)吸附。動態(tài)吸附又有固定床、移動床和流化床等三種方式。

    （1）固定床動態(tài)吸附：這是廢水處理工藝中最常用的一種方式。由于吸附劑固定填充在吸附柱（或塔）中，所以叫固定床。當(dāng)廢水連續(xù)流過吸附劑層時，吸附質(zhì)便不斷地被吸附。若吸附劑數(shù)量足夠，出水中吸附質(zhì)的濃度即可降低至接近于零。但隨著運(yùn)行時間的延長，出水中吸附質(zhì)的濃度會逐漸增加。當(dāng)達(dá)到某一規(guī)定的數(shù)值時，就必須停止通水，進(jìn)行吸附劑再生。

    根據(jù)水流方式的不同，固定床吸附又分為降流式和升流式兩種。降流式固定床的水流由上而下穿過吸附劑層，過濾速度在4-20m/h之間。吸附劑層總厚3-5m，可分成幾柱串聯(lián)工作。接觸時間一般不大于30-60min。降流式用于處理含懸浮物很少的廢水，能獲得很好的出水水質(zhì)。當(dāng)懸浮物含量高時，容易引起吸附劑層堵塞，降低吸附量，同時增大水頭損失。另外，降流式固定床的濾層容易滋長細(xì)菌，惡化水質(zhì)。升流式固定床的水流由下而上穿過吸附劑層，其壓頭損失小，允許廢水含的懸浮物稍高，對預(yù)處理要求較低，但濾速較小。升流式可避免炭床內(nèi)因積有氣泡而產(chǎn)生短路，也便于發(fā)揮生物協(xié)同作用；缺點(diǎn)是沖洗效果較降流式差，操作失誤時易將吸附劑流失。

    （2）移動床吸附：廢水從吸附柱底部進(jìn)入，處理后的水由柱頂排出。在操作過程中，定期將一部分接近飽和的吸附劑從柱底排出，送到再生柱進(jìn)行再生。與此同時，將等量的新鮮吸附劑由柱頂加入，因而這種吸附床稱之為移動床。這種運(yùn)行方式較固定床吸附能更充分地利用吸附劑的吸附能力，水頭損失小，但柱內(nèi)上下層吸附劑不能相混，所以對操作管理要求較為嚴(yán)格。

    （3）流化床吸附：吸附劑在塔內(nèi)處于膨脹狀態(tài)，懸浮于由下而上的水流中。所以這種運(yùn)行方式也稱為膨脹床吸附。膨脹床的吸附率高，適于處理懸浮物含量較高的廢水。

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