4.2　吸附

4.2.1　原理與功能

吸附是一種或幾種物質（稱為吸附質）的濃度在另一種物質（稱為吸附劑）表面上自動發生變化（累積或濃集）的過程。吸附劑表面上的分子受力不均衡，存在著剩余力場，即具有表面能。根據熱力學第二定律，這種能量有自動變小的趨勢。當溶液中的吸附質到達吸附劑表面以后，界面上的分子受力變得均衡些，從而降低了這種表面能。這就是促使吸附過程自動發生的一種推動力。因此，吸附是物質從液相（或氣相）到固體表面的一種傳質現象。

根據吸附劑表面吸附力的不同，吸附可分為物理吸附和化學吸附兩種類型。吸附劑與吸附質之間通過分子引力（范徳華力）而產生的吸附稱為物理吸附；而由原子或分子間的電子轉移或共有，即剩余化學價鍵力所引起的吸附稱為化學吸附。

物理吸附和化學吸附是靠范德華力或化學價鍵力而促成吸附劑與吸附質之間分子的吸附，因此又可統稱為分子吸附。如果吸附質的離子由于靜電引力或化學價鍵力而聚集到吸附劑表面的帶電點上，這種現象則稱為離子吸附。離子吸附又可分為交換性離子吸附和非交換性離子吸附，水處理中常用的離子交換法就是一種交換性離子吸附。在水處理中，大多數吸附過程往往是幾種吸附作用的綜合結果。

4.2.2　技術與裝備

4.2.2.1　影響吸附的因素

影響吸附的因素很多，歸納起來有內部因素和外部因素兩個方面。

其中內部因素如下。

①吸附劑的物理性質：如吸附劑的種類、比表面積、孔隙尺寸、孔隙分布、表面性質（表面氧化物的種類）等。

②吸附質的化學性質：如分子量、分子尺寸、溶解度、離解常數、偶性矩、極性、官能團、支鏈、空間結構、吸附質的濃度等。

外部因素如下。

①吸附系統的環境條件；如pH值、溫度、溶液的離子強度、溶劑的性質、競爭吸附質的存在、生物協同作用等。

②吸附系統的通行條件：如運行方法、接觸時間、水力條件等。

4.2.2.2　吸附劑

吸附劑的種類很多，常用的有活性炭和腐殖酸類吸附劑。

（1）活性炭

活性炭是水處理中應用較多的一種吸附劑。活性炭的種類很多，在廢水處理中常用的是粉狀活性炭和粒狀活性炭。粉狀活性炭吸附能力強，制備容易，價格較低，但再生困難，一般不能重復使用。粒狀活性炭價格較貴，但再生后可重復使用，并且使用時的勞動條件較好，操作管理方便。因此，在水處理中多采用粒狀活性炭。

（2）腐殖酸類吸附劑

用作吸附劑的腐殖酸類物質主要有天然的富含腐殖酸的風化煤、泥煤、褐煤等，它們可以直接使用或經簡單處理后使用；將富含腐殖酸的物質用適當的黏合劑制備成腐殖酸系樹脂。

腐殖酸類物質能吸附工業廢水中的許多金屬離子，如汞、鉻、鋅、鎘、鉛、銅等。腐殖酸類物質在吸附重金屬離子后，可以用H₂SO₄、HCl、NaCl等進行解吸。目前，這方面的應用還處于應用、研究階段，還存在吸附量不高、適用的pH值范圍較窄、機械強度低等問題，需要進一步研究和解決。

4.2.2.3　設備和裝置

（1）固定床

固定床是水處理工藝中最常用的一種方式。固定床根據水流方向又分為升流式和降流式兩種形式。降流式固定床的出水水質較好，但經過吸附層的水頭損失較大，特別是處理含懸浮物較高的廢水時，為了防止懸浮物堵塞吸附層，需定期進行反沖洗。有時需要在吸附層上部設反沖洗設備。固定床吸附塔構造如圖4-7所示。

在升流式固定床中，當發現水頭損失增大時，可適當提高水流流速，使填充層稍有膨脹（上下層不能互相混合）就可以達到自清的目的。這種方式由于層內水頭損失增加較慢，所以運行時間較長，但對廢水入口處（底層）吸附層的沖洗難于降流式。另外，由于流量變動或操作一時失誤就會使吸附劑流失。

固定床根據處理水量、原水的水質和處理要求可分為單床式、多床串聯式和多床并聯式三種。如圖4-8所示。

廢水處理采用的固定床吸附設備的大小和操作條件，根據實際設備的運行資料建議采用下列數據。

塔徑：1～3.5m；填充層高度：3～10m；填充層與塔高比：（1∶1）～（4∶1）；吸附劑粒徑：0.5～2mm（活性炭）；接觸時間：10～50min；容積速度：2m³/（h·m³）以下（固定床）；5m³/（h·m³）以下（移動床）；線速度：2～10m/h（固定床）；10～30m/h（移動床）。

容積速度v_s即單位容積吸附劑在單位時間內通過處理水的容積數；線速度v_L即單位時間內水通過吸附層的線速度，又稱空塔速度。

（2）移動床

原水從吸附塔底部流入和活性炭進行逆流接觸，處理后的水從塔頂流出。再生后的活性炭從塔頂加入，接近吸附飽和的炭從塔底間歇地排出。

這種方式較固定床式能夠充分利用吸附劑的吸附容量，水頭損失小。由于采用升流式，廢水從塔底流入，從塔頂流出，被截留的懸浮物隨飽和的吸附劑間歇地從塔底排出，所以不需要反沖洗設備。但這種操作方式要求塔內吸附劑上下層不能互相混合，操作管理要求嚴格。移動床吸附塔的構造如圖4-9所示。

（3）流化床

流化床不同于固定床和移動床的地方是由下往上的水使吸附劑顆粒相互之間有相對運動，一般可以通過整個床層進行循環，起不到過濾作用，因此適用于處理懸浮物含量較高的廢水（如圖4-10所示）。

4.2.3　應用與比較

（1）活性炭的吸附方式與特點

活性炭的吸附方式與特點見表4-8。

（2）吸附裝置的選擇

吸附裝置類型的選擇應針對處理對象、處理規模進行必要的條件試驗，根據試驗結果，結合使用地點的具體情況，經過技術經濟比較，選擇最合適的吸附裝置。目前使用較多的吸附裝置是固定床及間歇式移動床，它們的特點見表4-9。