第三章活性炭吸附
Activated Carbon Adsorption
3-1 原理
3-2 运行方式与设备
3-3 在水处理中的应用
3-4 研究与应用的动向
3-1 原理一、活性炭的性能含碳材料制成分为：粒状炭granular activated carbon,GAC
粉状炭powdered activated carbon,PAC
生产工艺：
煤、果壳、木屑成型、破碎炭化活化产品
孔隙丰富0.6-0.9cm
3
/g
巨大的比表面积700-1000m
2
/g
非极性吸附剂，吸附水中非极性、弱极性有机物质物理表面吸附作用，范德华力，
选择性低，可多层吸附，脱附容易
含有多种官能团吸附重金属离子络合螯合作用，选择性高，
单层吸附，脱附困难
例ZJ15 活性炭性能材质：无烟煤，加入适量粘合剂（水、煤焦油）
柱状炭（粒状炭的一种）：
d=1.5mm
L=3-4mm
生产工艺：成型、炭化、蒸汽活化比表面积,900m
2
/g
堆积重：450-530g/L
真密度：2.2g/cm
3
总孔容积：0.8cm
3
/g
其中大孔（孔径>1000?) 0.3cm
3
/g
中孔（40-1000?）0.1cm
3
/g
微孔（孔径<40?) 0.4cm
3
/g 主要吸附区在水处理中的大致吸附容量：
50mg苯酚/g炭(Ce=10mg/L)
0.3gCOD/g炭(Ce=20mg/L)
二、吸附容量与吸附等温线吸附分类：
液相吸附如水处理本章主要论述对象气相吸附如工业有机废气处理、防毒面具
1,吸附影响因素
（1）吸附质的化学性状
极性越强，被吸附性越差如：苯的被吸附性强苯酚的被吸附性比苯差
官能团亲合力大小
（2）吸附质的分子大小
有效吸附孔对于液相吸附：
活性炭中起吸附作用的孔直径（D）
吸附质分子直径
=1.7-21
其最佳吸附范围D/d=1.7-6
D=1.7d的孔是活性炭中对该吸附质其作用的最小的孔
D/d=1.7-3时，吸附孔内只能吸附一个吸附质分子，这个分子四周都受到吸附力，吸附紧密
D/d>3以后，随着D/d的不断增加，吸附质分子趋于单面受力状态，吸附力随之降低
分子量与分子直径的关系假设：
球状六方密堆积方式排列分子平均直径与分子量的关系：
d=1.33(M/ρ)
1/3
=1.33M
1/3
式中M--分子量（道尔顿）
d--分子平均直径（?）
ρ--密度（g/cm
3
)
实测的分子平均直径与计算的分子平均直径比较物质名称分子量实测的分子平计算的分子平均直径（?）均直径（?）
苯78 5.7 5.7
融菌酶14600 34(45*30*30) 33
胰凝蛋白酶25000 39(45*35*38) 39
羧肽酶A 34300 43(450*42*38) 43
血红蛋白68000约60 54
平均分子直径估算：
苯酚M=94,d=6.0?
亚甲蓝M=374,d=9.6?
一般关系：
分子量10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
平均分子直径（?）6 13296213
由于活性炭的主要吸附区是孔径<40?的微孔区，可以推断被活性炭吸附有效去除的物质的分子量<1000
实测饮用水处理活性炭主要去除M<1000的物质，其最大去除M=500-1000 (饮用水水源中M<500部分主要为极性物质）
（3）平衡浓度动平衡一般液相中平衡浓度越高，固相上吸附容量液越高但是对于单层吸附（如化学键合）存在最大吸附容量
（4）温度影响吸附是体系总能量下降，属放热过程温度升高，吸附容量下降对气相吸附影响较大，需在等温条件下测定对液相吸附影响较小，通常在室温下测定
2,吸附容量确定烧杯试验对实际废水，加入不同炭量对配水，可用相同初始浓度，不同炭量待吸附平衡后，测定平衡浓度，计算吸附容量液体容积V
加炭量m
所需平衡时间确定：
做浓度时间曲线，得到所需平衡时间，并留有适当余量，作为吸附容量测定时间（一般1h)
为加速吸附过程，粒状炭先研磨成粉状炭，过325目筛（孔径40微米）
（思考题：粒状炭磨成粉状炭后比表面积增加多少，是否会影响吸附容量测定结果？）
吸附容量计算式中：x/m--吸附容量（mg/g炭)
V--液体体积（L）
Co--初始浓度(mg/L)
Ce--平衡浓度(mg/L)
m--加炭量（m)
m
CeCoV
mx
)(
/
=
3,吸附等温线表达公式
（1）Langmiur isotherm
吸附等温线形式
表达式式中：
(x/m)
o
--最大吸附容量
b--系数
bCe
Cemxb
mx
o
+
=
1
)/(
/
Ce
x/m
特性单层吸附理论公式存在最大吸附容量（单层吸附位全部被吸附质占据）
参数回归技巧取倒数，由直线方程求参数
（2）BET isotherm
(Branauer,Emmett and Teller)
吸附等温线形式
表达式式中：
Cs--饱和浓度
B--系数
]/)1(1)[(
)/(
/
CsCeBCeCs
mxBCe
mx
o
+?
=
Ce
x/m
Cs
特性多层吸附理论公式中间有拐点平衡浓度趋近饱和浓度时，x/m趋近无穷大在稀溶液（如水处理）中不遇到
参数回归技巧取倒数，由直线方程试算Cs
先目估Cs
再做图修正Cs，并求得B
（3) Freundlich isotherm
吸附等温线形式
表达式
x/m=KCe
1/n
式中：
K,n--系数
Ce
x/m
特性经验公式水处理中最常用
参数回归技巧取对数，由直线方程求系数注：吸附等温线公式求解注意事项
必须先做吸附等温线原始形式图，由曲线形式确定所用表达式的形式，切忌直接采用某种表达式
对于实际废水，与原水浓度Co相对应的吸附容量需用外推法求得
对于饮用水处理，因对水中多组分吸附容量不同，并且存在竞争吸附、排代现象、生物分解等作用，实际中不用吸附容量表示（用吸附周期）
3-2 运行方式与设备一、吸附
1,粉状炭投加粉状炭浆随水连续投加反应器类型：CSTR，并可与其他处理工艺结合如在给水处理混凝出PAC，并在沉淀池分离出水浓度由炭的投加剂量合吸附容量确定优点：除投加系统外，可不增加处理构筑物可用于源水水质恶化的补充与应急系统缺点：炭吸附能力未有效发挥（CSTR固有弱点）
2,粒状炭
（1）处理方式粒状炭过滤水流向：降流式，升流式炭床层分区：
C
Cin
饱和层吸附带未工作层
z
（2）反应器类型
固定床单床吸附带下缘到达炭层底端后发生穿透（降流式），炭床推出运行反应器：炭滤罐炭滤池（多用于给水厂）
优点：运行简单总用炭量少缺点：易穿透吸附带中剩余能力未发挥双床串联（二级吸附）
第一级完全饱和后再推出运行可双床互换的二级吸附系统系统过于复杂，较少采用
移动床（间歇式）
降流式定期从下部排除部分饱和炭去再生，并从上部补充相应量的再生炭优点：总用炭量最少缺点：设备较复杂
（3）出水浓度对于单一组分固定床吸附，理论上出水浓度为0
对多组分吸附用水质综合指标（如COD）表示，由柱试验确定
（4）吸附带高度影响因素炭吸附速度：炭粒与水之间的外膜传质炭粒孔隙内部的孔内传质水的空床流速由柱试验确定柱试验要求：
炭层高度>吸附带，例如h=1m
柱内径>=25mm，例如50mm
注：
教材中CSTR二级逆流吸附系统实际中很少应用
教材中计算单级固定床吸附带高度、吸附带有效系数等仅适用于高浓度单一吸附质，对多组分长周期的吸附（如给水深度处理）不适用二、再生
1,热再生采用最广泛方式：
燃气（大型）
放电（小型）
工艺：
干燥炭化活化损失率约5%（烧失、磨损）
吸附能力恢复>90%
2,溶剂再生属固液萃取用于高浓度单一吸附质的回收
3,蒸汽再生用于低沸点挥发性物质的回收
3-3 在水处理中的应用一、废水
特殊工业废水净化处理如炸药生产废水：硝基苯类，难生物降解，
饱和炭用溶剂再生法
废水深度处理二、给水处理
饮用水深度处理深度处理工艺：
水源水常规处理GAC
水源水常规处理O
3
GAC
水源水常规处理O
3
BAC
在欧洲已广泛采用在我国目前仅极少数水厂采用我国采用活性炭进行深度处理的水厂水厂名称深度处理工艺规模(万m
3
/d)投产时间北京市田村山水厂
O
3
-GAC
17 1985
北京市第九水厂
GAC
125 1990,1995,1999
昆明市六水厂南分厂
O
3
-GAC 10 1998
甘肃白银有色金属公司
GAC
3 1976
北京燕山石化公司饮用水深度净化水厂O
3
-GAC 1986
大庆石化总厂饮用水深度净化水厂
O
3
-GAC 1996
饮用水物化预处理水源水常规处理
优质直饮水、纯净水制备直饮水供水系统自来水GAC 安全过滤反渗透臭氧消毒装桶
PAC
3-4 研究与应用动向
1,开发吸附能力更强的炭如：纤维状活性炭
2,开发带辅助功能的活性炭如：渗银活性炭
3,投加PAC的水源水质恶化应急处理系统
4,推广采用活性炭的自来水深度处理工艺作业：
p.119（新版p.147)
1(a),3
Activated Carbon Adsorption
3-1 原理
3-2 运行方式与设备
3-3 在水处理中的应用
3-4 研究与应用的动向
3-1 原理一、活性炭的性能含碳材料制成分为：粒状炭granular activated carbon,GAC
粉状炭powdered activated carbon,PAC
生产工艺：
煤、果壳、木屑成型、破碎炭化活化产品
孔隙丰富0.6-0.9cm
3
/g
巨大的比表面积700-1000m
2
/g
非极性吸附剂，吸附水中非极性、弱极性有机物质物理表面吸附作用，范德华力，
选择性低，可多层吸附，脱附容易
含有多种官能团吸附重金属离子络合螯合作用，选择性高，
单层吸附，脱附困难
例ZJ15 活性炭性能材质：无烟煤，加入适量粘合剂（水、煤焦油）
柱状炭（粒状炭的一种）：
d=1.5mm
L=3-4mm
生产工艺：成型、炭化、蒸汽活化比表面积,900m
2
/g
堆积重：450-530g/L
真密度：2.2g/cm
3
总孔容积：0.8cm
3
/g
其中大孔（孔径>1000?) 0.3cm
3
/g
中孔（40-1000?）0.1cm
3
/g
微孔（孔径<40?) 0.4cm
3
/g 主要吸附区在水处理中的大致吸附容量：
50mg苯酚/g炭(Ce=10mg/L)
0.3gCOD/g炭(Ce=20mg/L)
二、吸附容量与吸附等温线吸附分类：
液相吸附如水处理本章主要论述对象气相吸附如工业有机废气处理、防毒面具
1,吸附影响因素
（1）吸附质的化学性状
极性越强，被吸附性越差如：苯的被吸附性强苯酚的被吸附性比苯差
官能团亲合力大小
（2）吸附质的分子大小
有效吸附孔对于液相吸附：
活性炭中起吸附作用的孔直径（D）
吸附质分子直径
=1.7-21
其最佳吸附范围D/d=1.7-6
D=1.7d的孔是活性炭中对该吸附质其作用的最小的孔
D/d=1.7-3时，吸附孔内只能吸附一个吸附质分子，这个分子四周都受到吸附力，吸附紧密
D/d>3以后，随着D/d的不断增加，吸附质分子趋于单面受力状态，吸附力随之降低
分子量与分子直径的关系假设：
球状六方密堆积方式排列分子平均直径与分子量的关系：
d=1.33(M/ρ)
1/3
=1.33M
1/3
式中M--分子量（道尔顿）
d--分子平均直径（?）
ρ--密度（g/cm
3
)
实测的分子平均直径与计算的分子平均直径比较物质名称分子量实测的分子平计算的分子平均直径（?）均直径（?）
苯78 5.7 5.7
融菌酶14600 34(45*30*30) 33
胰凝蛋白酶25000 39(45*35*38) 39
羧肽酶A 34300 43(450*42*38) 43
血红蛋白68000约60 54
平均分子直径估算：
苯酚M=94,d=6.0?
亚甲蓝M=374,d=9.6?
一般关系：
分子量10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
平均分子直径（?）6 13296213
由于活性炭的主要吸附区是孔径<40?的微孔区，可以推断被活性炭吸附有效去除的物质的分子量<1000
实测饮用水处理活性炭主要去除M<1000的物质，其最大去除M=500-1000 (饮用水水源中M<500部分主要为极性物质）
（3）平衡浓度动平衡一般液相中平衡浓度越高，固相上吸附容量液越高但是对于单层吸附（如化学键合）存在最大吸附容量
（4）温度影响吸附是体系总能量下降，属放热过程温度升高，吸附容量下降对气相吸附影响较大，需在等温条件下测定对液相吸附影响较小，通常在室温下测定
2,吸附容量确定烧杯试验对实际废水，加入不同炭量对配水，可用相同初始浓度，不同炭量待吸附平衡后，测定平衡浓度，计算吸附容量液体容积V
加炭量m
所需平衡时间确定：
做浓度时间曲线，得到所需平衡时间，并留有适当余量，作为吸附容量测定时间（一般1h)
为加速吸附过程，粒状炭先研磨成粉状炭，过325目筛（孔径40微米）
（思考题：粒状炭磨成粉状炭后比表面积增加多少，是否会影响吸附容量测定结果？）
吸附容量计算式中：x/m--吸附容量（mg/g炭)
V--液体体积（L）
Co--初始浓度(mg/L)
Ce--平衡浓度(mg/L)
m--加炭量（m)
m
CeCoV
mx
)(
/
=
3,吸附等温线表达公式
（1）Langmiur isotherm
吸附等温线形式
表达式式中：
(x/m)
o
--最大吸附容量
b--系数
bCe
Cemxb
mx
o
+
=
1
)/(
/
Ce
x/m
特性单层吸附理论公式存在最大吸附容量（单层吸附位全部被吸附质占据）
参数回归技巧取倒数，由直线方程求参数
（2）BET isotherm
(Branauer,Emmett and Teller)
吸附等温线形式
表达式式中：
Cs--饱和浓度
B--系数
]/)1(1)[(
)/(
/
CsCeBCeCs
mxBCe
mx
o
+?
=
Ce
x/m
Cs
特性多层吸附理论公式中间有拐点平衡浓度趋近饱和浓度时，x/m趋近无穷大在稀溶液（如水处理）中不遇到
参数回归技巧取倒数，由直线方程试算Cs
先目估Cs
再做图修正Cs，并求得B
（3) Freundlich isotherm
吸附等温线形式
表达式
x/m=KCe
1/n
式中：
K,n--系数
Ce
x/m
特性经验公式水处理中最常用
参数回归技巧取对数，由直线方程求系数注：吸附等温线公式求解注意事项
必须先做吸附等温线原始形式图，由曲线形式确定所用表达式的形式，切忌直接采用某种表达式
对于实际废水，与原水浓度Co相对应的吸附容量需用外推法求得
对于饮用水处理，因对水中多组分吸附容量不同，并且存在竞争吸附、排代现象、生物分解等作用，实际中不用吸附容量表示（用吸附周期）
3-2 运行方式与设备一、吸附
1,粉状炭投加粉状炭浆随水连续投加反应器类型：CSTR，并可与其他处理工艺结合如在给水处理混凝出PAC，并在沉淀池分离出水浓度由炭的投加剂量合吸附容量确定优点：除投加系统外，可不增加处理构筑物可用于源水水质恶化的补充与应急系统缺点：炭吸附能力未有效发挥（CSTR固有弱点）
2,粒状炭
（1）处理方式粒状炭过滤水流向：降流式，升流式炭床层分区：
C
Cin
饱和层吸附带未工作层
z
（2）反应器类型
固定床单床吸附带下缘到达炭层底端后发生穿透（降流式），炭床推出运行反应器：炭滤罐炭滤池（多用于给水厂）
优点：运行简单总用炭量少缺点：易穿透吸附带中剩余能力未发挥双床串联（二级吸附）
第一级完全饱和后再推出运行可双床互换的二级吸附系统系统过于复杂，较少采用
移动床（间歇式）
降流式定期从下部排除部分饱和炭去再生，并从上部补充相应量的再生炭优点：总用炭量最少缺点：设备较复杂
（3）出水浓度对于单一组分固定床吸附，理论上出水浓度为0
对多组分吸附用水质综合指标（如COD）表示，由柱试验确定
（4）吸附带高度影响因素炭吸附速度：炭粒与水之间的外膜传质炭粒孔隙内部的孔内传质水的空床流速由柱试验确定柱试验要求：
炭层高度>吸附带，例如h=1m
柱内径>=25mm，例如50mm
注：
教材中CSTR二级逆流吸附系统实际中很少应用
教材中计算单级固定床吸附带高度、吸附带有效系数等仅适用于高浓度单一吸附质，对多组分长周期的吸附（如给水深度处理）不适用二、再生
1,热再生采用最广泛方式：
燃气（大型）
放电（小型）
工艺：
干燥炭化活化损失率约5%（烧失、磨损）
吸附能力恢复>90%
2,溶剂再生属固液萃取用于高浓度单一吸附质的回收
3,蒸汽再生用于低沸点挥发性物质的回收
3-3 在水处理中的应用一、废水
特殊工业废水净化处理如炸药生产废水：硝基苯类，难生物降解，
饱和炭用溶剂再生法
废水深度处理二、给水处理
饮用水深度处理深度处理工艺：
水源水常规处理GAC
水源水常规处理O
3
GAC
水源水常规处理O
3
BAC
在欧洲已广泛采用在我国目前仅极少数水厂采用我国采用活性炭进行深度处理的水厂水厂名称深度处理工艺规模(万m
3
/d)投产时间北京市田村山水厂
O
3
-GAC
17 1985
北京市第九水厂
GAC
125 1990,1995,1999
昆明市六水厂南分厂
O
3
-GAC 10 1998
甘肃白银有色金属公司
GAC
3 1976
北京燕山石化公司饮用水深度净化水厂O
3
-GAC 1986
大庆石化总厂饮用水深度净化水厂
O
3
-GAC 1996
饮用水物化预处理水源水常规处理
优质直饮水、纯净水制备直饮水供水系统自来水GAC 安全过滤反渗透臭氧消毒装桶
PAC
3-4 研究与应用动向
1,开发吸附能力更强的炭如：纤维状活性炭
2,开发带辅助功能的活性炭如：渗银活性炭
3,投加PAC的水源水质恶化应急处理系统
4,推广采用活性炭的自来水深度处理工艺作业：
p.119（新版p.147)
1(a),3
