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，在相界面上出現的氣相組分或溶質組分濃度升高（常稱為濃縮）的現象，稱為固體吸附。這種對溶質有吸附能力的固體稱為吸附劑，而被固體吸附的物質稱為吸附質。

根據固體表面吸附力的不同，吸附可分為物理吸附、化學吸附和離子交換吸附三種類型。若吸附劑和吸附質之間是通過分子間的引力（即范德華力）而產生的吸附，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，易達到平衡狀態。一般在低溫下進行的吸附主要是物理吸附。

若吸附劑與吸附質之間產生了化學作用，生成化學鍵引起的吸附，稱為化學吸附。由于生成化學鍵，所以化學吸附是有選擇性的，且不易吸附與解吸，達到平衡慢?；瘜W吸附放出的熱很大，與化學反應相近。化學吸附速度隨溫度升高而增加，故化學吸附常在較高溫度下進行。

一種吸附質的離子，由于靜電引力，被吸附在吸附劑表面的帶電點上，由此產生的吸附稱為離子交換吸附。由于這種吸附兼有吸收現象，故又可總稱為吸著。在這種吸附過程中，伴隨著等當量的離子交換。如果吸附質的濃度相同，離子帶的電荷越多，吸附就越強。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，越有利于吸附。

二、等溫吸附規律——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系，稱為等溫吸附規律。表達這一關系的數學式稱為吸附等溫式。根據這種關系繪制出的曲線圖，稱為吸附等溫線。人們已經提出了好幾種等溫吸附理論模式來描述吸附規律，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：

所謂吸附速度是指單位重量吸附劑在單位時間內所吸附的物質量。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，吸附設備容積也可以越小。

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

根據實驗得知，顆粒外部膜擴散速度與溶液濃度成正比。對一定重量的吸附劑，膜擴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，膜擴散速度就越大。另外，增加溶液和顆粒之間的相對運動速度，會使液膜變薄，可以提高膜擴散速度。

孔隙擴散速度與吸附劑孔隙的大小及結構、吸附質顆粒大小及結構等因素有關。一般來說，吸附劑顆粒越小，孔隙擴散速度越快，即擴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，吸附劑內孔徑大可使孔隙擴散速度加快，但會降低吸附量。對這種情況，就要根據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）吸附劑的物理化學性質、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，非極性分子型的吸附劑容易吸附非極性分子的吸附質。由于吸附作用是發生在吸附劑的內外表面上，所以吸附劑的比表面積越大，吸附能力就越強。另外，吸附劑的顆粒大小、孔隙構造和分布情況，以及表面化學特性等，對吸附也有很大的影響。

（2）吸附質的物理化學性質、吸附質在廢水中的溶解度對吸附有較大的影響。一般說來，吸附質的溶解度越低，越容易被吸附。吸附質的濃度增加，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。如果吸附質是有機物，其分子尺寸越小，吸附反應就進行得越快。

（3）廢水的pH值、pH值對吸附質在廢水中的存在形態（分子、離子、絡合物等）和溶解度均有影響，因而對吸附效果也就相應地有影響。廢水pH值對吸附的影響還與吸附劑性質有關。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行吸附操作。

（5）共存物的影響、共存物質對主要吸附質的影響比較復雜。有的能相互誘發吸附，有的能相當獨立地被吸附，有的則對相互起干擾作用。但許多資料指出，某種溶質都以某種方式與其它溶質爭相吸附。因此，當多種吸附質共存時，吸附劑對某一種吸附質的吸附能力要比只含這種吸附質時的吸附能力低。懸浮物會阻塞吸附劑的孔隙，油類物質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、吸附質與吸附劑要有足夠的接觸時間，才能達到吸附平衡。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間歇式和動態連續式兩種。前者多用于實驗研究或小規模的廢水處理中，而生產運行一般采用動態連續方式。本書著重討論后者。

    廢水在流動條件下進行的操作，叫做動態連續吸附，或簡稱為動態吸附。動態吸附又有固定床、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。當廢水連續流過吸附劑層時，吸附質便不斷地被吸附。若吸附劑數量足夠，出水中吸附質的濃度即可降低至接近于零。但隨著運行時間的延長，出水中吸附質的濃度會逐漸增加。當達到某一規定的數值時，就必須停止通水，進行吸附劑再生。

    根據水流方式的不同，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。當懸浮物含量高時，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菌，惡化水質。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，對預處理要求較低，但濾速較小。升流式可避免炭床內因積有氣泡而產生短路，也便于發揮生物協同作用；缺點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，但柱內上下層吸附劑不能相混，所以對操作管理要求較為嚴格。

    （3）流化床吸附：吸附劑在塔內處于膨脹狀態，懸浮于由下而上的水流中。所以這種運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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