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活性炭过滤器在污水处理中连续吸附可以采用固定床、移动床和流化床

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活性炭过滤器在污水处理中连续吸附可以采用固定床、移动床和流化床
一、吸附法
  1、吸附原理
  固体表面有吸附水中溶解及胶体物质的能力,比表面积很大的活性炭等具有很高的吸附能力,可用作吸附剂。吸附可分为物理吸附和化学吸附。如果吸附剂与被吸附物质之间是通过分子间引力(即范德华力)而产生吸附,称为物理吸附;如果吸附剂与被吸附物质之间产生化学作用,生成化学键引起吸附,称为化学吸附。离子交换实际上也是一种吸附。
  物理吸附和化学吸附并非不相容的,而且随着条件的变化可以相伴发生,但在一个系统中,可能某一种吸附是主要的。在污水处理中,多数情况下,往往是几种吸附的综合结果。
  一定的吸附剂所吸附物质的数量与此物质的性质及其浓度和温度有关。表明被吸附物的量与浓度之间的关系式称为吸附等温式。
  2、影响吸附的因素
  吸附能力和吸附速度是衡量吸附过程的主要指标。固体吸附剂吸附能力的大小可用吸附量来衡量。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。在水处理中,吸附速度决定了污水需要与吸附剂接触的时间。吸附速度快,则所需的接触时间就短,吸附设备的容积就小。
  多孔性吸附剂的吸附过程基本上可分为三个阶段:颗粒外部扩散阶段,即吸附质从溶液中扩散到吸附剂表面;孔隙扩散阶段,即吸附质在吸附剂孔隙中继续向吸附点扩散;吸附反应阶段,吸附质被吸附在吸附剂孔隙内的吸附点表面。一般,吸附速度主要取决于外部扩散速度和孔隙扩散速度。
  颗粒外部扩散速度与溶液浓度成正比,也与吸附剂的比表面积的大小成正比。因此吸附剂颗粒直径越小,外部扩散速度越快。同时,增加溶液与颗粒间的相对运动速度,也可以提高外部扩散速度。
  孔隙扩散速度与吸附剂孔隙的大小和结构,吸附质颗粒的大小和结构等因素有关。一般,吸附剂颗粒越小,孔隙扩散速度越快。
  吸附剂的物理化学性质和吸附质的物理化学性质对吸附有很大影响。一般,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的吸附质。同时,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。
  污水的pH值对吸附也有影响,活性炭一般在酸性条件下比在碱性条件下有较高的吸附量。吸附反应通常是放热反应,因此温度低对吸附反应有利。
  3、吸附剂
  吸附剂的种类很多。常用是活性炭和腐植酸类吸附剂。
  (1).活性炭
  在生产中应用的活性炭的种类很多。一般都制成粉末状或颗粒状。粉末状的活性炭吸附能力强,制备容易,价格较低,但再生困难,一般不能重复使用。颗粒状的活性炭价格较贵,但可再生后重复使用,并且使用时的劳动条件较好,操作管理方便。因此在水处理中较多采用颗粒状活性炭。
  活性炭的比表面积可达800—2000m2/g,有很高的吸附能力。
  颗粒状活性炭在使用一段时间后,吸附了大量吸附质,逐步趋向饱和并丧失工作能力,此时应进行更换或再生。再生是在吸附剂本身的结构基本不发生变化的情况下,用某种方法将吸附质从吸附剂微孔中除去,恢复它的吸附能力。活性炭的再生方法主要有:
  1)加热再生法在高温条件下,提高了吸附质分子的能量,使其易于从活性炭的活性点脱离;而吸附的有机物则在高温下氧化和分解,成为气态逸出或断裂成低分子。活性炭的再生一般用多段式再生炉。炉内供应微量氧气,使进行氧化反应而又不致使炭燃烧损失。
  2)化学再生法通过化学反应,使吸附质转化为易溶于水的物质而解吸下来。
  (2)腐植酸类吸附剂
  用作吸附剂的腐植酸类物质主要有:天然的富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐煤等,它们可以直接使用或经简单处理后使用;将富含腐植酸的物质用适当的粘合剂制备成的腐植酸系树脂。
  4、吸附工艺和设备
  吸附的操作方式分为间歇式和连续式。间歇式是将废水和吸附剂放在吸附池内进行搅拌30min左右,然后静置沉淀,排除澄清液。间歇式吸附主要用于小量废水的处理和实验研究,在生产上一般要用两个吸附池、交换工作。在一般情况下,都采用连续的方式。
  连续吸附可以采用固定床、移动床和流化床。固定床连续吸附方式是废水处理中最常用的。吸附剂固定填放在吸附柱(或塔)中,所以叫固定床。移动床连续吸附是指在操作过程中定期地将接近饱和的一部分吸附剂从吸附柱排出,并同时将等量的新鲜吸附剂加入柱中。所谓流化床是指吸附剂在吸附柱内处于膨胀状态,悬浮于由下而上的水流中。由于移动床和流化床的操作较复杂,在废水处理中较少使用。
  在一般的连续式固定床吸附柱中,吸附剂的总厚度为3~5m,分成几个柱串联工作,每个柱的吸附剂厚度为1~2m。废水从上向下过滤,过滤速度在4~15m/h之间,接触时间一般不大于30~60min。为防止吸附剂层的堵塞,含悬浮物的废水一般先应经过砂滤,再进行吸附处理。吸附柱在工作过程中,上部吸附剂层的吸附质浓度逐渐增高,达到饱和而失去继续吸附的能力。随着运行时间的推移,上部饱和区高度增加而下部新鲜吸附层的高度则不断减小,直至全部吸附剂都达到饱和,出水浓度与进水浓度相等,吸附柱全部丧失工作能力。
  在实际操作中,吸附柱达到完全饱和及出水浓度与进水浓度相等是不可能的,也是不允许的。通常是根据对出水水质的要求,规定一个出水含污染物质的允许浓度值。当运行中出水达到这一规定值时,即认为吸附层已达到“穿透”,这一吸附柱便停止工作,进行吸附剂的更换。
  5、吸附法在污水处理中的应用
  由于吸附法对进水的预处理要求高,吸附剂的价格昂贵,因此在废水处理中,吸附法主要用来去除废水中的微量污染物,达到深度净化的目的。如:废水中少量重金属离子的去除、少量有害的生物难降解有机物的去除、脱色除臭等。
  二、膜分离技术
  1、概述
  膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。溶剂透过膜的过程称为渗透。
  溶质透过膜的过程称为渗析。
  几种主要膜分离法的特点:
  (1)膜分离过程不发生相变,因此能量转化的效率高。例如在现在的各种海水淡化方法中反渗透法能耗最低;
  (2)膜分离过程在常温下进行,因而特别适于对热敏性物料,如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩;
  (3)装置简单,操作简单,控制、维修容易,且分离效率高。与其它水处理方法相比,具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点;
  (4)由于目前膜的成本较高,所以膜分离法投资较高,有些膜对酸或碱的耐受能力较差。所以目前膜分离法在水处理中一般用于回收废水中的有用成分或水的回用处理。
  2、电渗析
  原理和工作过程
  用特制的半透膜将浓度不同的溶液隔开,溶质即从浓度高的一侧透过膜而扩散到浓度低的一侧,这种现象称为渗析作用,也称扩散渗析、浓差渗析。
  电渗析的原理是在直流电场的作用下,依靠对水中离子有选择透过性的离子交换膜,使离子从一种溶液透过离子交换膜进入另一种溶液,以达到分离、提纯、浓缩、回收的目的。
  3、离子交换膜
  离子交换膜具有与离子交换树脂相同的组成,含有活性基团和能使离子透过的细孔。常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴膜、复合膜等数种。
  阳膜含有阳离子交换基团,在水中交换基团发生离解,使膜上带有负电,能排斥水中的阴离子,吸引水中的阳离子并使其通过。
  阴膜含有阴离子交换基团,在水中离解出阴离子,使膜上带正电,吸引阴离子并使其通过。
  复合膜复合膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做成,具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极,阴膜面朝向阳极时,正、负离子都不能透过膜,显示出很高的电阻。当膜的朝向与上述相反时,膜电阻降低,膜两侧相应的离子进入膜中。
  4、电渗析器
  电渗析器的组装依其应用不同而有所不同。其组装的情况是用级和段来表示的。
  级:一对正、负电极之间的膜堆称为一级。
  段:具有同一水流方向的并联膜堆称为一段。
  电渗析法可以有效地回收废水中的无机酸、碱、金属盐及有机电解质等,使废水净化。
  5、反渗透
  (1)、反渗透原理
  开始时两边液面相同,由于浓度差存在,半透膜又不允许溶质通过,所以水透过膜,使浓水一边液面升高,产生渗透压,在浓水边加压,当压力超过渗透压时,则水透过半透膜,即反渗透,实现净化过程。
  (2)、反渗透膜及作用机理
  反渗透膜应具有多种性能:
  选择性好,单位膜面积上透水量大,脱盐率高;
  机械强度好,能抗压、抗拉、耐磨;
  热和化学的稳定性好,能耐酸、碱腐蚀和微生物侵蚀,耐水解、辐射和氧化;
  结构均匀一致,尽可能地薄,寿命长,成本低。
  反渗透膜的分类:
  按成膜材料可分为有机膜和无机高聚物膜;
  按膜的形状可分为平板状、管状、中空纤维状膜;
  按膜结构可分为多孔性和致密性膜,或对称牲(均匀性)和不对称性(各向异性)结构膜;
  按应用对象可分为海水淡化用的海水膜、咸水淡化用的咸水膜及用于废水处理、分离提纯等的膜。
  反渗透膜的透过机理
  1)氢键理论
  该理论认为,水透过膜是由于水分子和膜的活化点形成氢键及断开氢键的过程。
  即在高压作用下,溶液中水分子和膜表皮层活化点缔合,原活化点上的结合水解离出来,解离出来的水分子继续和下一个活化点缔合,又解离出下一个结合水。
  水分子通过一连串的缔合-解离过程,依次从一个活化点转移到下一个活化点,直至离开表皮层,进入多孔层。
  2)优先吸附-毛细管流理论
  该理论把反渗透膜看作一种微细多孔结构物质,它有选择性吸附水分子而排斥溶质分子的化学特性。
  当水溶液同膜接触时,膜表面优先吸附水分子,在界面上形成一层不含溶质的纯水分子层,其厚度视界面性质而异,或为单分子层或为多分子层。
  在外压作用下,界面水层在膜孔内产生毛细管流连续地透过膜。
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