活性炭的吸附过程

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：吸附质在活性炭表面水膜中的传质过程符合Fick第一定律，与浓度梯度以及液膜的厚度有关。吸附质穿过水膜，在达到吸附位置之前的过程，是吸附质在活性炭孔内扩散到吸附位置的过程。吸附质分子到达吸附位置之后，由于其与活性炭表面的作用产生吸附，吸附过程结束。其中比通水量更能够反映活性炭的吸附性能。该段活性炭则被称为吸附带。在吸附带中，活性炭的饱和程度从0到100%。

1.传质过程

活性炭的吸附是一个复杂的动力学过程，其中包括吸附质在主体溶液中的传质，吸附质在活性炭表面水膜中的传递，吸附质分子在孔内的扩散，以及最终在活性炭表面的吸附。

吸附质在主体溶液中的传质是使吸附质达到活性炭表面上的过程。这一过程可以通过机械混合或者分子扩散来实现。吸附质在活性炭表面水膜中的传质过程符合Fick第一定律，与浓度梯度以及液膜的厚度有关。梯度越大、液膜越薄，传质速度越快。吸附质穿过水膜，在达到吸附位置之前的过程，是吸附质在活性炭孔内扩散到吸附位置的过程。吸附质分子到达吸附位置之后，由于其与活性炭表面的作用产生吸附，吸附过程结束。这些连续过程中的最慢者，将会成为整个传质过程的控制步骤。在水处理过程中，通常有机物在水膜中的扩散或者在孔中的扩散是控制步骤。

2.穿透曲线

对于粒状炭，当水连续地通过吸附装置时，随着时间的推移，出水中污染物质的浓度逐渐上升，这称为污染物的“穿透”现象；达到一定时间后，污染物浓度上升很快；当吸附装置达到饱和后，出水中污染物浓度几乎完全与进水相同，吸附装置失效。以时间为横坐标，以出水中污染物浓度为纵坐标，将出水中污染物浓度随时间变化作图，得到的曲线称为穿透曲线，如图4-3所示。图中CA为允许的污染物出水最高浓度，该点被称为穿透点；CB为进水浓度的90%，该点称为饱和点。累积通水量或者比通水量（通水量体积/活性炭体积）可作为吸附穿透曲线横坐标。其中比通水量更能够反映活性炭的吸附性能。

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图4-3　穿透曲线示意图

3.吸附带

吸附过程中在活性炭层中有一段特殊的位置，活性炭对污染物的吸附集中发生在该段中，该段前端（相对于水流方向）的活性炭可以看做未吸附的炭，而该段后端的活性炭都可以看做已经吸附饱和的炭。该段活性炭则被称为吸附带（Mass Transfer zone，MTZ）。在吸附带中，活性炭的饱和程度从0到100%。当吸附装置开始过滤时，吸附带处于活性炭层上部；当表层吸附饱和后，吸附带逐渐下移；当吸附带移至活性炭层下沿时，出水浓度急剧增大，出水浓度增大到预定值时，炭层穿透。由于吸附带中炭不能被全部利用，所以吸附带的长度将影响整个活性炭层的使用率。

吸附速度越快、吸附带的长度越短、活性炭层的利用率越高。

吸附带长度LMTZ的计算方法很多，但在实际中都只能用来进行估算。最常用的是Michaels及Weber的模型：

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式中：Z——吸附柱高度，m；

VE——滤柱完全耗尽时产水体积，L或m3；

VB——滤柱穿透时产水体积，L或m3。

4.空床接触时间

空床接触时间（Empty bed contact time，EBCT）是吸附接触装置的重要参数，物理意义是在吸附装置中不加任何填料情况下过水的水力停留时间。其计算式为：

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式Q——进水流量；

V——反应器的有效吸附体积。

由于Q已固定，EBCT的大小将决定于V的大小。在某处理水量下，空床接触时间将决定吸附装置的体积。从经济性上看，EBCT越小越好，然而从吸附效果上看，EBCT越大越好。

5.临界穿透浓度及吸附柱临界深度

临界穿透浓度Ccri是指可以接受的污染物最大出水浓度。当出水浓度大于该值时，表明吸附装置已经失效，活性炭需要更换了。在定义临界穿透浓度的同时，也可以定义吸附柱的临界深度（Lcri），即运行一开始就导致出水浓度等于Ccri的吸附柱深度。一般来说，Ccri是由处理要求决定的。而Lcri则由相对应的Ccri确定。同时，Lcri和EBCT存在如下关系：

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